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光磁共振实验预习报告
摘要：光磁共振(光泵磁共振)利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁
共振。研究的对象是碱金属原子铷（Rb）。本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上,掌握以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法,学会使用 DH807A 光程实验装置来观察光抽运信号,进而测定铷原子两个同位素Rb 和Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德 g 因子的测量。
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关键词：光磁共振 光抽运 塞曼能级分裂 超精细结构
引言：光磁共振由法国物理学家 Kastler 在 1950 年首创的.它的基本思想是利用光的
抽运效应造成原子基态 Zeeman 能级上粒子布居的偏极化,即偏离热平衡时所遵循的 Boltzmann 分布. 然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动, 使光的抽运速率变化. 通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构.气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验应用光抽运、光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有很大的实际应价值。 发展史 光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。
1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒（Alfred Kastler，1902—1984），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。
二十世纪上半叶，光谱学的研究提供了大量有关原子分子结构的实验数据。由于雷达技术的发展，在四十年代末兴起了射频和微波波谱学。这些频段的电磁波，其频率要比可见光小上千倍，所产生的光子能量比光频光子的能量小得多，因此可以直接测量到原子的精细能级和超精细塞曼子能级之间的共振跃迁。人们把这个频段的电磁波称为赫兹波，把微波或射频共振称为赫兹共振。
卡斯特勒1902年5月3日出生于法国阿尔萨斯省的盖布维莱尔，1920年进法国高等师范学校学习。布洛赫教授教他量子物理学，对他的发展有深刻的影响。布洛赫还让他阅读索末菲的名著《原子结构和光谱线》。在读这本书的过程中，卡斯特勒对电磁辐射和原子相互作用中的角动量守恒特别感兴趣。他注意到用角动量守恒可以说
明塞曼效应中磁量子数的选择定则和偏振规律，并深刻领会到角动量守恒定律可能是自然界的一条普遍法则，但是，这个结论必须是在广泛验证之后，而不能想当然。从此卡斯特勒铭记在光谱学研究中要注意应用角动量守恒定律。
1926年卡斯特勒从高等师范学校毕业，随后到外地当了五年中学教师。1931年波尔多大学的道利教授请他当实验室助手，于是他就成了一名实验研究人员。在实验中他主要从事荧光和拉曼光谱研究，在研究中系统地检
验了光散射和荧光过程中角动量守恒定律的普适性。1936年他以《汞原子逐步受激》为题，通过了博士论文的答辩。1941年回到高等师范学校，负责实验室工作。
1947年兰姆和雷瑟福用波谱学方法测定氢原子精细结构的兰姆位移，1949年美国的比特（F.Bitter）指出，可把射频波谱技术扩展到原子激发态的研究中。在这以前，磁共振实验一般是在凝聚态中粒子处于热平衡的状态下进行的，激发态的磁共振则从未有人做过。卡斯特勒认为这是一项很好的建议，但关键在于如何实现。他找到了一个有效方法，就是利用偏振光对恒定磁场中的气态原子或分子作用，有可能实现激发态塞曼子能级产生选择跃迁。卡斯特勒一方面派自己的学生布洛塞尔（J.Brossel）去美国向比特学习；另一方面加紧在实验室里开展独立研究。1950年布洛塞尔和比特按照卡斯特勒的思想做成了第一个光磁共振实验，不过还不能探测原子的定向。
这一年卡斯特勒又提出，用圆偏振光激发原子，使原子的角动量发生变化，就可以使原子集中在基态的某一能级上，也就是改变原子在基态某一子能级的集居数。他把这种方法称为光抽运。
不久，布洛塞尔从美国回来，师生两人合作研究光磁共振。他们用钠的D1谱线激发处于恒定磁场中的钠蒸气原子，探测其荧光辐射强度。卡斯特勒认识到，实验的成功与否取决于弛豫过程的速度。若弛豫过程太快，则只能观测到微弱的信号。于是改为用充有氢气的钠样品泡做实验。经过反复的试验，终于在1955年获得了强度足够的光抽运效应。之所以采用氢气，是因为氢气是几乎没有分子磁性的气体，可以起到缓冲的作用，使钠原子漂移到泡壁的速度大大减慢。接着他们又用射频场实现了超精细塞曼能级之间的跃迁，把光抽运和光磁双共振法结合在一起。
光磁共振方法很快就发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。
利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。
卡斯特勒的成就与法国的科学传统是分不开的。他扎根于法国巴黎的高等师范学校，但并不闭关自守，而是力促国际交流。他很注意发挥科研集体的智慧和青年的力量，建立起团结协作的风气。例如，为了研究光抽运，在布洛塞尔1951年回国后，他们立即组织了一个研究组，吸收巴黎高等师范的学生参加，共同研究一些关键问题。这个组的年轻人写了十几篇论文，在光磁共振方法的研究中作出了各自的贡献。他很注意实验研究与理论研究的结合，也很注意基础研究与应用研究的结合。在发现光抽运的过程中，他先在理论上充分探讨，后在实验上付诸实现；以后他们对缓冲气体和弛豫过程、多量子跃迁以及光频移效应的研究，始终坚持实验与理论相结合的方针。从1958年起，卡斯特勒还兼任法国科学研究中心原子钟实验室主任，直到1972年退休。
实验方案
一．实验目的
1.加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 2.测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子g. 二．实验原理
在磁场中，原子的超精细结构能级产生塞 ??? ePJ?PL?PSuJ?gJPJ
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J(J?1)?L(L?1)?S(S?1) g?1?J2J(J?1)
由于原子的跃迁会放出不同频率的光线，根据探测其放出的光线可以探测原子的超精细结构。在热平衡状态下，铷原子各子能级上的粒子数都遵从波尔兹曼分布，由于各塞曼子能级的能量差非常小，各能级上的粒子数近似相等，因此用射频电磁场诱导子能级间的共振跃迁时，很难检测出原子的这种磁共振跃迁。为使系统有热平衡状态向非平衡状态转变，所以引入了光抽运方法，用圆偏振光激发铷原子，使塞满效应能级间的粒子差数比波尔兹曼分布形成的粒子差数大几个数量级，造成铷原子的偏激化。由于用右旋偏振光不能产生光抽运效应，且椭圆偏振光的光抽运效应比圆偏振光要小，所以采用左旋偏振光照射气态铷原子时，经过多次激发和原子自发辐射后，大量原子被抽运到m=+2的塞曼能级上，造成塞曼子能级上的粒子数非热平衡分布，即原子的偏激化。 hv??E?guB 三．实验步骤： 1．仪器的调节
①在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。
②将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电源开关。开射频信号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。 ③主体装置的光学元件应调成等高共轴。
调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。铷灯因不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。
④调节偏振片及1/4波片，使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为π/4以获得圆偏振光。
写出调节步骤和观察到的现象。 2．光抽运信号的观察
扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，设置扫场方向与地磁场方向相反，然后拿开指南针。预置 垂直场电流为0.07A左右。用来抵消地磁场分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。
光抽运信号波形 扫场波形
图1（扫场波形中要加电场为零的纵轴线）
铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。 因此这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收D1?光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上，能吸收σ的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零（指水平方向的总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对D1?光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图1 3.磁共振信号的观察
扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.7A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器，频率可以观察到共振信号如图2，对应波形，可读出频率?1及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。同样可以得到?2。这样水平磁场所对应的频率为??(?1??2)2,即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。
用三角波扫场法观察磁共振信号时，当磁场B0值与射频频率?0满足共振条件式时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的光抽运。因此，对于确定的频率，改变磁场值可以获得Rb或Rb的磁共振。可得到磁共振信号的图像。对于确定的磁场值（例如三角波中的某一场值），改变频率同样可以获得Rb或Rb的磁共振。实验中要求在选择适当频率（600KHz）
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及场强的条件下，观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。 4．测量g因子
为了研究原子的超精细结构，测准g因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为式中N为线圈匝数，r为线圈有效半径（米），
B?16πN532rI?10?7
I为直流电流（安）。B为磁感强度（特斯拉），式hv= gFuBBh??gF?BB中，普朗克常数h=6.626×10焦耳秒，玻尔磁子uB=9.274×10焦耳/特斯拉。利用两式可以测出gF因子值。要注意，引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场(地磁场的竖上分量已抵消)，可视为B=B水平+ B地+ B扫，而B地、B扫的直流部分和可能还有的其它杂散磁场，所有这些都难以测定。这样给直接测量gF因子带来困难，但只要参考霍尔效应实验中用过的换向方法，就不难解决了。测量gF因子实验的步骤自己拟定。 四．实验数据处理 五．实验总结
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