光磁共振

1、光磁共振,南京理工大學物理實驗中心,一、背景知識,光磁共振是光抽運和射頻磁共振相結合的一種雙共振過程，是用光抽運來研究原子超精細結構塞曼子能級間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術。雙共振技術是由諾貝爾物理學獎獲得者A.Kastlor于20世紀50年代提出的。 該技術既保存了磁共振高分辨的特點，同時又將測量靈敏度提高了幾個數(shù)量級，是研究原子、分子高激發(fā)態(tài)的精密測量的有力工具，因此在激光物理、量子頻標、弱磁場探測等方面都有重要應

2、用價值。,二、實驗目的,通過研究銣原子基態(tài)的光磁共振，加深對原子超精細結構的認識；掌握光磁共振的實驗技術；測定銣原子的 因子和測定地磁場。,三、實驗原理——概念介紹,1. 光抽運（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能級間的熱平衡態(tài)，造成期望集居數(shù)差，它基于光和原子間的相互作用。2. 如何提高探測靈敏度：采用光探測，探測原子對光量子的吸收而不是采用一般的磁共振的探測方法（直接探測原子對射頻量子的吸收），因光量子能量比射頻量子能

3、量高幾個數(shù)量級，因而大大提高探測靈敏度。3. 光磁共振：是將光抽運、磁共振、光探測技術結合起來研究氣態(tài)原子精細和超精細結構的一種實驗技術，加深了人們對原子磁矩、 因子、能級壽命、能級精細結構、超精細結構及原子間相互作用的認識。,—銣原子的能級分裂（精細結構的形成）,研究對象：銣（Rb）的氣態(tài)自由原子，價電子處于第五電子層，主量子數(shù)n=5，軌道量子數(shù)L=0,1,…,n-1，電子自旋量子數(shù)S=1/2原子精細結構的形成：由電子的自旋與軌道

4、運動相互作用（L-S耦合）發(fā)生能級分裂銣原子基態(tài)與最低激發(fā)態(tài)的形成：用J表示電子總角動量量子數(shù)，J=L+S,L+S-1,…,|L-S|,——精細結構的形成續(xù),對于基態(tài)，L=0，S=1/2，得J=1/2，標記為 ；對于最低激發(fā)態(tài)，L=1，S=1/2，得J=3/2,1/2，標記為 ，如右圖所示，形成兩條譜線。,——朗德因子的引入,電子軌道角動量 和自旋角動量 的合成角動

5、量 電子總磁矩兩者關系為其中,——原子超精細結構的形成,由核磁矩與電子磁矩的相互作用形成。 核的自旋量子數(shù)表示為 ，銣原子的兩種同位素的自旋量子數(shù)分別為： 核的自旋角動量表示為 ，得原子總角動量： 其中F用來表示原子總角動量量子數(shù)，F(xiàn)=I+J,…,|I-J|。,——原子超精細結構的形成續(xù),——塞曼子能級的形成,原子處于弱磁場中，由于原子總磁矩與磁場的

6、相互作用使能級進一步分裂，形成塞曼子能級。這些能級用磁量子數(shù)來表示， ，能級間距相同。 和 相互作用能表示如下： 能級間距為： 其中 為玻爾磁子。,—圓偏振光對銣原子的激發(fā)與光抽運效應,將角動量為 的左旋圓偏振光照射到氣態(tài) 原子 后，根據(jù)光躍遷選擇定則

7、，基態(tài)中 能級上的粒子數(shù)會越來越多，形成粒子數(shù)偏極化。 高度的粒子數(shù)偏極化是進行磁共振實驗的有利條件。,——弛豫時間,粒子分布由非平衡狀態(tài)（粒子數(shù)偏極化）到平衡狀態(tài)（玻爾茲曼分布）所需的時間。本實驗中，在樣品泡中加入少量分子磁矩較小的緩沖氣體（如氮、氖等）避免銣原子與容器壁碰撞而使粒子失去偏極化。另外將溫度保持在50到60攝氏度之間，盡量減小銣原子與容器壁的碰撞。,——塞曼能級間磁共振,在垂直于

8、產(chǎn)生塞曼分裂的磁場方向上加一頻率為 的射頻磁場，當滿足 時發(fā)生磁共振，如此，粒子的偏極化程度降低，再次發(fā)生光抽運，最終形成光抽運與磁共振的動態(tài)平衡。,——光探測,照射到樣品上的偏振光，起到了兩個作用。一是產(chǎn)生光抽運效應；二可以通過測量透射光強得到磁共振信號。當各能級上的粒子數(shù)相同時，樣品對偏振光吸收最強，透射光最弱；當粒子數(shù)偏極化強度最強時，透射光最強。這里通過透射光強的變化來得到磁共振信號，提高了測量靈敏度。,四、實驗裝

9、置,五、實驗內容——1.儀器調節(jié),用磁針確定地磁場方向，使主體光軸與地磁場水平方向平行調節(jié)面板1）確定水平線圈、豎直線圈和掃場線圈與其換向開關擲向的對應關系；2）調節(jié)主體單元光學元件等高，調整透鏡的位置以得到較好的平行光束3）按預熱鍵，加溫銣樣品泡在 間，銣光譜燈在 間，按工作鍵，這時除射頻線圈的各線圈電源都已接通，開啟高頻振蕩器，發(fā)紫紅色光。調節(jié)1/4波片

10、光軸與偏振光偏振方向夾角為pi/4,——2. 觀察光抽運信號,調節(jié)垂直場的方向和幅度使得其能抵消地磁場垂直分量；加上方波掃場,方向與地磁場水平方向相反，在示波器上觀察光抽運信號，得到如下圖所示的掃場和光抽運信號的對照圖：,測量 因子1) 加上方向同地磁場水平方向的三角波掃場以及頻率為 的射頻磁場，調節(jié)頻率的大小觀察磁共振信號，假設頻率為 時觀察到共振信號；接著將水平場反向，頻率為 時得到共振信號，那么

11、 便是水平磁場對應的共振頻率，由此可以得出 因子。需要注意的是因銣原子有兩種同位素，所以會出現(xiàn)兩次共振信號，頻率高的為 共振信號；頻率低的為 共振信號。光磁共振信號如圖７所示。,——3. 觀察光磁共振信號,——3. 光磁共振信號圖示,測量地磁場 測量方法同上，這次需要先讓三者的方向相同，而后同時改變掃場和水平場的方向，最后地磁場分量對應的共振頻率為

12、 。 根據(jù)地磁場垂直磁場的大小和水平分量的大小即可得到地磁場的大小及方向。,——3. 觀察光磁共振信號續(xù),附:一些物理量常數(shù),亥姆霍茲線圈軸線中心處磁感應強度：電子質量 ；質子質量 玻爾磁子普朗克常數(shù)：,其中 為線圈匝數(shù)； 為線圈有效半徑； 為直流電壓； 為線圈繞線電阻