光泵磁共振实验光抽运信号分析
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+=。
光泵磁共振异常光抽运信号机理研究
光泵磁共振异常光抽运信号机理研究光泵磁共振是利用光抽运效应来研究原子精细结构塞曼能级间的磁共振，它是近代物理实验中一个基本而重要的实验。
文章通过对实验中出现的反常共振信号进行研究并探讨其机理。
标签：光抽运；磁共振；偏振态；反常信号1 概述光泵磁共振是利用光抽运的方法，使原子超精细结构塞曼子能级间的粒子数反转；在特定射频量子的激发下，两粒子数反转能级间产生磁共振。
其共振条件为？驻？抓m=hv0=gF？滋BB0公式中：ΔEm为共振塞曼子能级间的能量差，h为普朗克常量，μB为波尔磁子，B0为产生塞曼能级分裂的直流磁场，v0为共振时射频辐射场的频率。
由公式（1）可知，对于一定的原子，v0与B0应一一对应。
但我们在光泵磁共振实验中测量87Rb和85Rb的共振频率时，当B0确定后，在某些特定的实验条件下，对87Rb或85Rb可测得两个或两个以上的共振频率。
文章将对正常频率以外的频率产生的原因进行探讨。
2 对反常共振信号的探讨2.1 对反常信号的确定表1 不同水平场时的共振频率对于水平场的每次取值和每个取向，正常共振频率只有两个，分别对应87Rb 和85Rb，其余为反常共振频率。
可以通过计算各共振信号对应的gF因子来区分正常共振信号和反常共振信号。
87Rb的gF因子为1/2，85Rb的gF因子为1/3。
由此可区分上表中的正常共振频率与反常共振频率。
2.2 反常共振信号出现原因的探讨反常共振信号出现的原因可能有两个：（1）多量子跃迁效应；（2）射频发生器中高次谐波的叠加。
多量子跃迁的观点指出，当产生共振信号时，满足nhv=hvo=gFuBB （n为正整数），即n个频率为vo/n的光量子被塞曼能级上的电子吸收而发生跃迁，形成共振信号。
量子跃迁的几率随着跃迁量子数的增加而快速减小，因此三量子及以上的跃迁几率非常小。
双量子跃迁需要两个主要条件：（1）射频磁场强度要求足够大（2）双量子跃迁共振频率v2=v0/2实验发现：（1）从表2中数据可以看出，在实验条件下，当射频场波形为简谐波时，能明显测到n=1和n=2的共振信号频率。
光泵磁共振实验
光泵磁共振实验探讨无锡高等师范学校毛宏伟摘要光泵磁共振实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼能级间的磁共振。
它是近代物理实验中一个基本而重要的实验。
本文主要从光抽运信号观察、磁共振信号观察、测量gF因子、测量扬州地区地磁场等几个方面展开探讨。
关键词光抽运, ,磁共振，g F因子，地磁场一、光泵磁共振的实验原理1．铷原子的能级光泵磁共振实验研究的对象是铷的气态自由电子。
由原子物理可知,铷是一价碱金属,其价电子处于带5壳层,主量子数n=5,对于同一主量子数n,有L=0,1,…,(n-1)个不同的轨道状态,L=0对应于基态,L=1是最低激发态。
电子还具有自旋,电子自旋量子数S=1/2。
由于电子的自旋与轨道运动的相互作用(即L-S耦合)而发生的能级分裂，称为精细结构。
轨道角动量P L 与自旋角动量PS合成总角动量PL=PL+PS。
原子能级的精细结构用电子的总角动量量子数J来标记：J=L+S,L+S-1,…,|L-S|。
对于基态,L=0,S=1/2,其标记为52S1/2;对第一激发态,L=1,S=1/2,是双重态52P1/2及52P3/2,分别对应于J=1/2和J=3/2。
5P与5S能级之间的跃迁是铷原子的第一条线,为双线,在铷光谱中强度最大。
其中52P1/2到52S1/2的跃迁称D1线,波长为7948A , 52P3/2到52S1/2的跃迁为D2线,波长为7800A。
.铷核具有自旋和磁矩。
由于核自旋角动量PI与电子的总角动量PJ 相互作用,即IJ耦合,形成PF,有PF=PI+PJ。
IJ耦合形成超精细结构能级,用量子数F标记,F=I+J,…,|I-J|。
铷有两种同位素87Rb和85Rb, 87Rb的I=3/2,基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态, 85Rb的I=5/2,基态J=1/2,具有F=3和F=2两个状态。
以上所述是没有外磁场的情况。
如果处在外磁场B 中,由于原子的总磁矩μF与磁场B 的相互作用,超精细结构中的各能级进一步发生塞曼分裂形成塞曼能级。
铷原子光泵磁共振实验报告
1 ~ H 扫（右 2
图）；继续增大水平电流，当三角波的中央刚好对应 H 时，总磁场与所加的水平方向磁场（ H 1 ）满足
H H1 H 地水 H 扫 （中图）；再继续增大水平电流，当三角波的波谷刚好对应 H 时，总磁场与所加的
水平方向磁场（ H 1 ）满足 H H 1 H 地水 H 扫
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。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁 共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。 气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服 了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结 构。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素： 85 Rb （丰度为72.15%）、 87 Rb （丰度 为27.85%）。
1 ~ H 扫 （左图）。 2
图 4 磁共振信号
而当三角波的波峰、波谷对应 H 时，判断共振信号时刻的误差较大，且总磁场 H 中含有 H 扫 项，计算 H 需较多组的数据。因此，实验中测量中图（即 H 对应三角波中央）所对应情况，也更容易判断共振信号 出现时刻。 实验中分别测量了扫场、水平场不同组合下，满足中图（H 对应三角波中央）情况的水平磁场电流， 计算时仅需要前三组即可。实验数据见表 1。三组情况分别对应
m F 1 的跃迁，所以处于 5 2 S1 / 2 的 m F 2 子能级上的粒子不能被激发至 5 2 P1 / 2 态。
2 当原子经历自发辐射和无辐射跃迁从 5 2 P 1 / 2 回到 5 S1 / 2 时，粒子返回到基态各子能级的概率相等。这
光泵磁共振实验光抽运信号分析
加剧
t
减小垂直磁场，也得到 了特点相同的图像
波形分析（水平磁场影响）
水平场电流0.267A（反 向）
与之前不同，波谷对应 的信号高
波形分析（水平磁场影响）
B
继续增大水平磁场（反
t
向），高度低的峰逐渐
减弱至消失
将磁场设置为同向，且 不断增大，发现信号高
低峰互换，且低缝最后 消失
水平场反向
光泵磁共振实验 光抽运信号分析
07300720379刘晋麟
实验简介
磁共振是研究物质结构的一种常用方法 利用普通磁共振技术研究物质结构，由于
信号强度弱，无法用于气态物质 光抽运能够使原子形成偏极化分布，加强
磁共振信号，可以用于研究气态物质
简要实验原理
共振和跃迁1两个能级
形成偏极化后即可进行 磁共振实验
实验装置
水平磁场 扫场 地磁场水平分量
垂直磁场 地磁场垂直分量
射频场
波形分析
水平场电流0 垂
扫场B
直场电流0.080A
波形不完美
时间t
调节垂直磁场
无法获得更好
的信号图像
波形分析(垂直磁场影响)
水平场电流：0A 垂直 B 场电流0.188A
增大垂直磁场，不平衡
能级由于LS耦合、核磁矩和电子总磁矩耦 合，分裂为超精细结构。加上磁场后这些 子能级又进行塞曼分裂
简要实验原理
利用圆偏振光（以左旋 为例）照射样品，由于 角动量守恒，跃迁需满 足⊿F=0,⊿MF=+1
由于第一激发态中没有 MF =3的能级，所以基态 中MF =2 将无法跃迁， 形成偏极化分布
想是由于扫场本身不对称
于B=0，可能存在直流电
时间t
光泵磁共振实验报告
学生实验报告内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得一、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方法测量地磁场。
二、实验使用仪器与材料：数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。
（核磁共振仪器连线图）三、实验步骤：1．仪器调整（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约3０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。
（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。
（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。
2．观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。
当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。
（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。
同时旋转１／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2-４）。
扫场是一交流调制场。
当它过零并反向时，分裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。
扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。
当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。
３．测量基态的值由磁共振表达式得 (4)υ可由频率计给出，因此如知便可求出。
此处是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。
光泵磁共振实验报告
上述利用光泵产生粒子数偏极化的过程称为光抽运过程。当粒子数偏极化饱 和，光抽运停止，光子不再被吸收，透过样品的光强增强。因此光源在这里不 仅起到使粒子数偏极化的作用，还起到传递信息的作用。
4、 塞曼子能级之间的磁共振
在垂直于产生塞曼能级分裂的磁场 B 的方面加一个频率为ν的射频磁场当νB 之 间满足hν = ������������������������������…(2)塞曼子能级之间产生感应跃迁，成为磁共振。跃迁遵守 选择定则：ΔF = 0；Δ������������ = 0， ± 1；于是铷原子将从������������ = 2跃迁到各子能级 上，铷原子的原子分部的偏极化减弱，光抽运又开始，光的强度有减弱直到重 新达到极化饱和。光抽运的时间相对于射频场的周期非常短。当射频场经过一 个周期又回到hν = ������������������������������条件时，共振又开始。粒子偏极化又被打乱。于是形 成循环。
a
b
图·5 分别与扫场波的波谷及波峰对应的共振峰
图 5 为水平电流为 0.250A,水平场，扫场，地磁场均同向时，射频场频率分别为 852KHZ,以及 720KHZ 对应的共振波形图。a 共振峰对应着输入信号的波谷，即
hν������ = ������������������������(������水 + ������谷+������//) … (4),
一、 引言
光泵磁共振实验
物理系 郭莹
磁共振波谱技术是利用物质的共振跃迁来研究原子微观结构的有效方法。当测量所 涉及的能级间距小于 kT 时,热平衡条件下，能级间的粒子布居数差别很小；若样品 又是气态原子，波谱技术也面临如何提高共振信号强度的难题。 A.Kastler 等人提 出用圆偏振光激发气态原子以实现原子在所研究能级间的布居数差（偏极化），并 以泵浦光的强度变化来探测射频场激发的原子磁共振，巧妙地用频率在 1014Hz 量级 的光信号的变化来探测共振频率在 106Hz 量级的跃迁过程，大大提高了探测灵敏 度。 目前，光泵磁共振方法基础研究中有广泛用。因为它使弱信号的检测方便易 行，还大大促进了相关计量技术（如弱磁场的测量等）的发展。
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光泵磁共振实验光抽运信号分析
光信息科学与技术
刘晋麟
摘要：分析光抽运信号核磁共振信号图样形成原理，以及图像随磁场变化而变化的特点和原理。
关键词：光抽运 光泵磁共振
光泵磁共振是利用磁共振研究物质内部结构的一种方法,普通的磁共振由于热平衡下磁共振涉及的能级上粒子布居数差别很小，偶极跃迁几率也较小，因此信息强度不足，只能用于研究样品浓度大的固体和液体，对于样品密度小的气体，需要提高信号强度才能进行研究（参考资料《近代物理实验讲义》）。
光抽运就是加强信号强度的一种办法，可以通过实验得到的图像分析物质的朗德因子等，实验中，我对于不同的水平磁场和垂直磁场对信号的影响进行了实验和分析。
一、简要实验原理
以铷气态自由原子为例，铷最外层电子处于第五层，主量子数n=5。
对于基态L=0以及最低激发态L=1，由于电子的自旋与轨道运动的相互作用——L-S 耦合，以及核磁矩和电子总磁矩耦合，能级分裂为精细结构。
若此时加上磁场，则能级进一步发生赛曼分裂。
此时进行磁共振实验，由于信号强度不高，无法得到可靠数据，需要使用光抽运的方法使粒子偏极化，打破热平衡下波尔兹曼分布。
光抽运信号是使用圆偏振光来使得粒子形
成偏极化，例如使用左旋圆偏振光，由于左旋圆
偏振光具有+h 的角动量，根据角动量守恒，跃
迁需满足⊿M F =+1。
因此，对于L=0到L=1的
跃迁（如图所示），基态中M F =2的粒子将无法
跃迁至第一激发态，故该子能级上的粒子数只增
不减，从而形成偏极化分布。
在达到偏极化分布后，即可进行磁共振。
在
垂直于产生赛曼分裂的磁场B 方向加上一个频
率为v 的射频磁场，当频率和B 满足：
F B h g B νμ=
时，在赛曼分裂子能级间产生感应跃迁，即磁共
振，跃迁遵守选择定则：
⊿F=0,⊿M F =±1
磁共振发生后，光抽运与磁共振将最后达到平衡状态。
二、实验仪器
实验时，水平磁场线圈、扫场线圈和地磁场水平分量提供赛曼分裂的磁场，垂直磁场用于抵消地磁场垂直分量，射频磁场提供磁共振的射频场。
三、实验图像分析
3.1.水平场和垂直场对图像的影响
不加射频场，用方波扫场，在不同的水平场和垂直场下观察到如下光抽运信号：
t
图a
水平场电流0A 垂直场电流0.080A
第一幅图是在不加水平场，垂直磁场线圈电流0.08A时得到的。
此时垂直磁场抵消地磁场最彻底，但是此时的波形并不完美，因为无论是增大还是减小垂直磁场线圈电流，波形都更加趋于不对称，可以看出对应扫场波谷的抽运信号波峰较低，而对应扫场波峰的抽运信号波峰较高。
为了分析信号不完美的原因，也就是磁场强度与信号高度的关系，首先令水平磁场仍然为0，垂直磁场线圈电流增加到0.188A，得到如下信号图样。
图b
水平场电流0A 垂直场电流0.188A
随着垂直磁场线圈电流增大，不对称加剧，仍然是波谷对应信号不完整，峰值较低。
此时将水平磁场电流调节为与扫场方向反向，大小为0.267A，垂直磁场电流仍然为0.188A，
t
图c
水平场电流0.267A（反向）垂直场电流0.188A
水平电流反向时，波峰对应信号峰较低，与之前得到的图像相反。
根据已得到的图形，我推测：
（1）.磁场强度越大，光透过吸收池的强度越大，即光抽运越弱，吸收池吸收光量越小，故波形幅度越低。
反之则高。
（2）.水平场为0时信号不完美是由于扫场信号本身不对称
从图c 可以看出，当水平场与扫场方向反向，相当于扫场波形整体相对于x 轴下移。
此时扫场到达波谷时，水平磁场最大，对应的抽运信号波形越高。
为了验证假设（1），我分别在水平磁场和扫场反向和同向时观察信号波形，并逐渐增大水平场线圈电流，发现当水平磁场与扫场同向时，扫场波峰对应抽运信号较高，反之则波谷对应抽运信号较高。
而随着水平磁场线圈电流增大，较弱的抽运信号逐渐减小最后消失，见下图：
图d 图e
水平场电流0.397A （反向） 垂直场电流0.115A 水平场电流0.164A （同向） 垂直场电流0.115A
由此可见假设是正确的，这是因为当磁场增大，根据公式：
F B E g B μ∆=
)ex p(1212T
k E g g N N B ∆-= 较为合理的解释是：当导致赛曼分裂磁场B 增大，能级差增大，最后导致第一激发态粒子数比基态粒子数21
N N 减小，粒子数差增大，故光抽运发生时很快就能达到偏极化分布，透过的光强也达到最大。
而当磁场小的时候，
21N N 增大，粒子数差减小，达到偏极化需要更长时间，而还没有达到时磁场又降为零，发生简并，所以光抽运信号峰值不高。
但是当磁场严格为零时，光抽运信号并不是最小，反而应该是最大，因为此时没有发生光抽运。
这说明在图d 和图e 中对应的磁场零线并不是严格为零，故抽运信号接近为零。
考虑垂直磁场作用，垂直磁场有两个，一个是地磁场水平分量，
一个是垂直磁场线圈的磁场。
磁场满足矢量合成原理，如果扫场和
水平场叠加后相对于B=0对称，则图像应为理想图样：磁场波峰
和波谷对应光抽运信号等高，而加上垂直磁场后总磁场增强，但光
抽运信号仍应为理想图样。
而当总水平场并不相对B=0对称，则
加上垂直磁场后，光抽运信号的不对称将加剧。
这说明在最初水平场为0，垂直场为0.08A 时，垂直磁场恰好
抵消为零。
但是扫场并不是严格相对于B=0对称，所以无论如何
调节垂直磁场，都无法得到完美波形,这可能是由于在扫场交流信
号中混有一个正向的直流信号，相当于加上了一个同向水平场。
而将垂直磁场线圈电流增大或者减小（减小由于有地磁场垂直分量，垂直场大小也是增大），都将加剧抽运信号不对称。
尝试适当增大水平场，与扫场的直流部分反向以抵消该直流电流产生的磁场，同时设置垂直场线圈电流0.08A，得到了较理想的波形。
结论:
1、磁场强度越大，赛曼分裂能级差越大，光抽运越弱，光抽运信号图样越高。
2、实验中扫场并不严格对称于B=0轴。
3、当总水平场不严格按B=0对称，则波峰波谷对应抽运信号高度不同，垂直磁场增大会加剧这种不同。
致谢：实验室指导老师姚红英；实验合作者卢江蛟。
参考资料：
[1]复旦大学物理教学实验中心《近代物理实验补充讲义》
[2]复旦大学自编教材《近代物理》。