光泵磁共振实验数据处理
光泵磁共振实验报告结论
一、实验概述光泵磁共振实验是一种重要的物理实验，通过观察原子在特定磁场和光场作用下的能级跃迁，研究原子能级结构、磁共振现象以及光抽运效应等。
本次实验采用DH807型光泵磁共振实验装置，通过观察铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，加深对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，并测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
二、实验目的1. 观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解。
2. 观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
3. 学会利用光磁共振的原理和实验方法，提高实验技能。
三、实验原理光泵磁共振实验基于以下原理：1. 光抽运效应：当原子处于激发态时，吸收特定频率的光子，原子会跃迁到更高能级。
通过调节光场强度，可以使原子处于高能级状态的粒子数增加。
2. 磁共振：当原子处于特定磁场中，能级发生塞曼分裂。
通过调节磁场强度，可以使原子能级发生跃迁，产生磁共振现象。
3. 光泵磁共振：光泵磁共振实验中，利用光抽运效应和磁共振原理，观察原子能级跃迁和磁共振信号。
四、实验结果与分析1. 光抽运信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的光抽运信号。
通过调节光场强度和频率，可以观察到不同能级跃迁的光抽运信号。
这表明光抽运效应在实验中得到了充分体现。
2. 磁共振信号观察在实验中，我们观察到了铷原子的磁共振信号。
通过调节磁场强度，可以观察到不同能级跃迁的磁共振信号。
这表明磁共振现象在实验中得到了充分体现。
3. 塞曼子能级朗德因子测定根据实验数据，我们计算了铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子。
实验结果显示，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合。
五、实验结论1. 通过本次实验，我们成功地观察到了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，验证了光泵磁共振实验的原理。
2. 实验结果表明，铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子与理论值基本吻合，表明实验具有较高的准确性。
3. 通过本次实验，我们加深了对原子超精细结构和塞曼子能级的理解，提高了实验技能。
实验 光泵磁共振实验
实验 光泵磁共振实验在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。
光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。
在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。
由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。
三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。
如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。
此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。
本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。
它是典型的波谱学教学实验之一。
实验原理1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。
铷的价电子处于第五壳层，主量子数n = 5。
n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。
基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。
由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。
轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P+=。
光泵磁共振实验报告
相邻塞曼子能级之间（ ）的能极差为
2、圆偏振光对Rb原子的激发与光抽运效应
电子在原子能级间发生跃迁时，需要满足总能量和总角动量守恒。一定频率的光刻引起能量差为原子能级之间的跃迁（能量守恒）。而当入射光是左旋圆偏振光时，量子力学给出的跃迁定则为 ， ， （角动量守恒）。 的 态及 态的磁量子数 最大值都是+2，当入射光是D1的 光时由于只能产生 的跃迁，基态 的子能级的粒子不能跃迁。当原子经历无辐射跃迁过程从 回到 时粒子返回到基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态 的子能级上的粒子数就会大大增加，即大量粒子被“抽运”到基态 的子能级上，这就是光抽运效应。各子能级上粒子数的这种远远偏离玻尔兹曼分布的不均匀分布称为“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振实验。
Rb原子的基态， 和 ，因此 基态只有 ，标记为 ；其最低激发态是 和 。在第一激发能级5P与基态5S之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线是双线。 到 的跃迁产生的谱线是D1线，波长是794nm； 到 的跃迁产生的谱线是D2线，波长是780nm。
在核自旋 时，原子的价电子L-S耦合后总角动量 与原子的总磁矩 的关系为
原理
1、铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级
实验研究的对象是Rb的气态自由原子。Rb是碱金属原子，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子，价电子处于第5壳层，主量子为 。主量子数为n的电子，其轨道量子数 。基态的 ，最低激发态的 。电子还具有自旋，电子自旋量子数 。由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。轨道角动量 与自旋角动量 的合成总角动量 。原子能级的精细结构用总角动量量子数J来标记，
钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号：130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。
通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。
同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。
由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。
In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。
光泵磁共振教案 实验原理
光泵磁共振实验 实验原理、数据记录及数据处理【引言】气体原子中的磁共振信号十分微弱，观测十分困难。
1950年，法国物理学家卡斯特勒（Ａ．Kastler ）提出了光抽运的方法（即Optical Pumping ，故又译作光泵），可使原子能级的粒子数分布产生重大改变（偏极化），并可利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大的提高了信号强度和检测灵敏度。
卡斯特勒因此而荣获1966年诺贝尔物理学奖。
【实验目的】1、加深对原子超精细结构的理解；2、掌握以光抽运为基础的光检测共振方法。
【实验仪器】光磁共振实验仪、示波器、频率计、射频信号发生器。
【实验原理】 ●铷原子基态和激发态能级（1）L S 耦合，,1,||J L S L S L S =++-- 。
铷原子基态0L =，12S =，故12J =；其最低激发态1L =，12S =，故12J =和32；为精细结构。
（2）IJ 耦合，,1,||F I J I J I J =++-- 。
铷原子核自旋不为零，两个同位素核自旋量子数I 也不相同。
87Rb 的3/2I =，85Rb 的5/2I =，故87Rb 的基态的1F =和2，85Rb 的基态的2F =和3。
由F 定标的能级称为超精细结构。
在磁场中铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂。
定标这些磁量子数,1,F m F F F =-- ，因而一个超精细结构能级分裂为21F +。
设原子总角动量对应的原子总磁矩为F μ，F μ与外磁场0B 的相互作用能为： 00F F F B E B g m B μμ=-⋅=（其中：2419.2741102B ee J Tm μ--==⨯⋅ ，(1)(1)(1)2(1)F J F F J J I I g g F F +++-+=⋅+（其中： (1)(1)(1)12(1)J J J S S L L g J J +++-+=++）相邻塞曼子能级能量差为： 0F B E g B μ∆= ●光抽运效应由于超精细塞曼子能级间的能量差E ∆很小，这些能级上的粒子数近似相等，不利于观察这些子能级间的共振现象，为此卡斯特勒提出光抽运的方法，即用圆偏振光激发原子，使原子能级的粒子数分布产生重大改变。
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验数据处理与分析实验记录数据如下表：频率 （kHz ）同向电流I 同（A ）反向电流I 反（A ）87Rb85Rb测量g F测量地磁场H87Rb 85Rb 87Rb85Rb700 0.232 0.337 0.2055 0.3125 0.358 0.4655 800 0.2595 0.3835 0.2355 0.3585 0.3885 0.5095 900 0.28950.42650.26550.4030.41750.5541 计算测量g F因子我们采取的是扫场法，因此，共振频率不变，0H 有同向反向之分。
由公式B B H +H +H g H -H -H g FFhv hv μμ== 同扫地反扫地（）（）两式相加得：B2g =(H +H )F hvμ同反其中73/216H 10()5N I T r π-=⨯N=250 r=0.2399m 346.62610 J S h -=⨯241B 9.273110J T μ--=⨯∙ 可得44.682810()H I T -=⨯，则6g =0.305210(+I )F vI -⨯同反将实验数据表格中的数据代入即可得下表：频率 （kHz ）g F87Rb85Rb700 0.4883 0.3289 800 0.4933 0.3291 9000.4949 0.3311 g F平均值0.49220.3297查阅资料，87Rb 的g F 值为1/2，而85Rb 的gF 值为1/3,对比我们的测量结果，结果十分接近，可见此次测量精确度很高。
2、 测量地磁场 测量地磁场时，有公式B H +H +H g Fhv μ= 同扫地（），B H +H -H g Fhv μ= 反扫地（）两式相减，得H -H H =2 同反地，即-4I -I H =4.682810T 2⨯ 同反地（）（）代入实验表格中的数据，即可得出下表：频率（kHz ）H地（T ）87Rb85Rb700 2.9502e-005 3.0087e-005 800 3.0204e-005 2.9502e-005 9002.9970e-005 2.9853e-005 H地（T)平均值2.9892e-0052.9814e-005。
实验29 光泵磁共振
实验29 光泵磁共振光泵磁共振是利用光抽运技术来研究原子超精细结构的塞曼子能级间磁共振现象的光磁双共振技术，在五十年代初由A.Kastler 等人提出。
虽然气体原子的塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，但由于运用了光探测技术，光泵磁共振既保存了磁共振信号高分辨率的特点，又提高了探测信号的灵敏度，灵敏度比一般的磁共振探测提高了几个数量级。
因而，在研究原子、分子内部微观结构及弱磁场精密测量等方面具有广泛的应用。
一、 实验目的1.了解光泵磁共振的基本知识，熟悉光抽运-磁共振-光检测的实验方法。
2.测量87Rb 和85Rb 的g F 因子。
二、 实验原理1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂本实验的研究对象是铷(Rb)气态自由原子，天然Rb 由72.15%的85Rb 和27.85%的87Rb 组成。
Rb 原子是一价碱金属原子，原子序数是37，价电子处于第5壳层，主量子数n=5，L=0，1，…，n-1，基态L=0，最低激发态L=1。
由电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L-S 耦合）而发生的能级分裂称为精细结构。
对于Rb 原子，基态为52S 1/2，最低激发态是52P 1/2，52P 3/2，5P 与5S 能级之间产生的跃迁是原子主线系的第一条线，对应的两条谱线是7948Å（D 1线）和7800Å（D 2线）。
考虑到原子核有自旋和磁矩，核磁矩与电子总磁矩之间相互作用将造成能级的附加分裂，这种附加分裂称为超精细结构。
87Rb 和85Rb 的核自旋量子数I 分别为3/2和5/2。
核自旋角动量P I 与电子总自旋角动量P J 相互耦合，这种耦合称为I-J 耦合，形成总角动量P F ，P F =P I +P J 。
I-J 耦合形成超精细结构能级，用总量子数F 标记，F=I+J ，…，∣I-J ∣。
对于87Rb ，对应I=3/2，基态J=1/2，F=1，2；对于85Rb ，对应I=5/2，基态J=1/2，F=2，3。
光泵磁共振
实验内容
1. 仪器调节
用磁针确定地磁场方向，使主体光轴与地磁场
水平方向平行 调节面板 1）确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关掷向的对应关系； 2）调节主体单元光学元件等高，调整透 镜的位置以得到较好的平行光束 3）按预热键，加温铷样品泡在40-600c间，铷光谱灯在80-900c间，按工 作键，这时除射频线圈的各线圈电源都已接通，开启高频振荡器，发紫 红色光。 调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为π/4
光泵磁共振实验
实验目的 实验原理 数据处理 实验仪器 实验内容 注意事项
思考问题
实验目的
1. 通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子 超精细结构的认识；
2. 掌握光磁磁场。
实验仪器
图1 仪器组成框图
图2 主体单元示意图
1 7
8
2
5
4
6
3
图3 DH807型光磁共振实验仪 1.铷光灯 2.偏振片、1/4波片、透镜 3.恒温槽 4.水平场线圈 5. 垂直场线圈 6.光电探测器（接示波器） 7.信号发生器 8. 电源及辅助源
85Rb
gF=h(f1+f2)/2μBB0
87Rb 85Rb
B0=16π NI×10-7/53/2r (式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有 效半径)
2. 测量地磁场
同向频率f1(kHz) 反向频率f2(kHz)
87Rb 85Rb 87Rb 85Rb
水平场电 流(A)
f=(f1-f2)/2
87Rb 85Rb
如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是 采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收）， 因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵 敏度。 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精 细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、g因子、 能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。
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光泵磁共振实验数据处理
作者: 日期:
光泵磁共振实验数据处理
观察光泵磁共振现象:
测量超精细结构因子及地磁场水平分量
、原始数据处理
水平场 电流I
/mA B 直/
T
(Ru85)/ K Hz
(R u 8 7)/KH z
扫场方向 扫场方向 平均值 扫场方向
扫场方向
平均值
30 0
0.0 0
7
7 62.5
1
3 50
0. 3 947 87
06
400 0. 5 104 8 976.5
8. 5 450
0. 12 1 1 62 1 087
1. 5
5 0 0
0 . 22 127 2
11 9 7
1 6 89 1 90 3
1796 550
0.
3
6
20 6 1
1 953.5
其中，外加水平直流场 B
直
二16厂N 10 7T
5 r
、R u85数据线性拟合处理
1、线性拟合结果
Ru85数据线性拟合图
拟合结果为：=1 1 0. 2 2 0+ 4.682 106
B
直
KHz
2、根据二K+AB 直
得出 K=11 0.2 20, A = 4.682 1 06。
/KHz
1300 -
Equati on y = a + b*x
Adj. R-Square
0.99996
Value
Sta ndard Error
A
In tercept 110.22036 2.77776
A
Slope
4.68175E6
13819.42851
1200 一
1100
1000
900 -
800
0.00014
0.00016
0.00018
0.00020
0.00022
0.00024
/T
三、R u87数据线性拟合处理1线性拟合结果
/KHz Equation y = a + b*x
Adj. R-Square 0.99996
Value Standard Error
A Intercept 167.60668 3.97211
A Slope 7.01277E6 19761.36506
B直/T
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
0.00014 0.00016 0.00018 0.00020 0.00022 0.00024
Ru 87数据线性拟合图
拟合结果为：=1 6 7. 607 + 7.013 106B直K H z 2、根据二K+AB直
得出 K =1 6 7 .6 0 7, A = 7.013 106。
g(87Rb)=3 g F ( 87Rb)= 0.506 =1 5Q2
1、
g F( Rb) 2为理论值,实际测量值为g F( Rb) 0.337
1.5 1.502 3二 100%=0.13%
相对误差1.5。
测量值与理论值十分接近。
2、实现光泵磁共振过程中要注意设备的调节，要记得打开垂直场，并将垂直场电流调节到
0.06 A,如果不打开垂直场，将不能得到试验中要求的图像和数据。
那是因为公式
h 1 g F B(B D C B S B e//)中多出了一项B e丄，所以V 1,V 2变大了，v '2变小了。
最后
g F , B e得到的值都不准确，增大了实验误差。
3、【实验总结】
1、实验中要特别注意对实验仪器的调节，如果调节失误最后会导致实验数据全部错误，
最后费力不得好。
要想做到这一点就必须在老师讲解时仔细听，认真记；
2、准确把握实验原理，并且能做到与实际结合,要知道实际操作时有许多外界因素影响
实验过程。
比如在观察光抽运信号时，示波器上的图像并不是和课本上的一样，只是大体相似,那是因为试验过程中地磁场并不是仅仅有垂直、水平分量，还有其他方向分量等因素影
响；
3、从实践的角度了解了光抽运和光泵磁共振过程。
实验总结
通过实验了解光泵磁共振的原理，原子存在自旋情况，也了解到什么是粒子数反转。
通过所学的知识和查阅资料了解到电子的跃迁可以产生激光，在原子中电子的自发辐射和受
激辐射都存在，而且电子的自发辐射和受激辐射都可以产生激光，如果要获得比较强的光就
要使得自发辐射的电子多于受激辐射的电子，但是在原子位于高能级的电子要多，所以实现粒子数反转时产生激光的条件。
经过该实验的学习，让我理解了什么是光抽运等一些全新的
概念，学习了一种测量地磁场的方法。
4、【注意事项】
1 .在观察光抽运信号时，调节扫场幅度，将抽运信号调节到等高，调好后，固定扫场幅度。
2.在实验过程中应注意区分87Rb、85Rb的共振信号，当水平磁场不变时，频率高的为87R b 共振谱线，频率低的为85Rb 的共振谱线。
当射频频率不变时，水平磁场大的为85Rb的共振谱线，水平磁场小的为87Rb的共振谱线。
3.为避免杂散光影响信号的幅度及波形，主体单元应当罩上遮光罩。
4 .在实验过程中
线。
6、理论上87Rb的g F为1/2,85Rb的g F因子为1/3,
7、结论，强电磁场及大功率电源
，本装置主体单元一定要避开其它铁磁性物体
5、根据实验原理可知, 铷原子的g
F 为g F
其中h为普朗克常数，B为玻尔磁子，V为射频频率。
h 6.626 10 34j|s
B
24 A 1
9.2741 10 j|T 650kHz
1 2m e T
B B共
本实验我们通过#D H807型光泵磁共振的实验装置观察了铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号，并通过测量得到了下列的数值。
1.实验得到的87Rb的g F = 0.50000,与理论值的误差为0.
2 •实验得到的85Rb的g F= 0.33488,与理论值的误差为0.464 %。
3.测得地磁场的水平分量为：0.40 10 4T,地磁场为0.443 10 4T。