光磁共振
光磁共振
实验9.3 光磁共振实验引言为了研究物质内部不同层次的结构和性质，利用电磁波与物质的相互作用作为研究手段，最早使用的是光谱学方法，取得有关原子、分子结构的大量数据，促进了原子、分子物理学的发展，但由于仪器分辨率和谱线线宽的限制，对原子、分子等微观粒子内部更加细致的结构和性质得不到满意的结果，后来发展了波谱学的方法，直接观测在外磁场中原子精细结构能级、超精细结构能级和塞曼子能级间的微波或射频共振（通常称为磁共振）。
分辨率提高了，但是跟微波或射频共振相联系的能级间的能量差很小，由玻尔兹曼分布所造成的粒子在能级上的布居数之差也很小，而且磁偶极跃迁几率比电偶极跃迁几率小几个数量级，磁共振信号很弱，难于探测，迫切需要提高共振信号的强度。
凝聚态物质的波谱学如核磁共振、电子顺磁共振，实验样品浓度较大，加上高灵敏度的电子技术探测方法，可以获得很好的共振信号，在很多领域得到应用。
然而对于研究自由原子的气态波谱学来说，由于样品浓度低几个数量级，共振信号极弱，必须设法提高共振信号强度，才能进行实验观测。
实验目的1.掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。
2.测定铷原子Rb 87和Rb 85的参数：基态朗德因子g F 和原子核的自选量子数I 。
3.测定地磁场B 地和垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平及其倾角θ。
实验原理光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。
特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。
这里就光磁共振技术对气态铷原子样品探测的实验原理逐一进行介绍。
1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第5壳层，主量子数n =5，电子轨道量子数L =0，1，···，n −1=4，电子自旋S =12。
铷原子中价电子的轨道角动量P L 和自旋角动量P S 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量P J ，其数值P J = J J +1 ħ，J =L +S ，L +S −1，···，|L −S|。
光磁共振实验(revise)
h 3 g F B ( BDC BS B e⁄⁄)
(6)
4/7
光磁共振实验
图 6 测量地磁场水平分量时光磁共振信号图像
由（2）式加（6）式得：
Be⁄⁄= 三、实验仪器
h( 1 3 ) 2g F B
（7）
本实验系统由主体单元、主电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部分组成。见图 2：
光磁共振实验
一、实验目的 1．了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象; 2． 测量铷（Rb）原子的 g F 因子（和地磁场）. 二、实验原理 1． 光磁共振的概念 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 是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。 2． 光抽运效应 处于磁场环境中的铷原子对 D1σ+光的吸收遵守如下的选择定则： L 1， F 1,0 ， M F 1 根据这一选择定则可以画出吸收跃迁图，如图 1 所 示 5S 能级中的 8 条子能级除了 MF=+2 的子能级 外， 都可以吸收 D1σ+光而跃迁到 5P 的有关子能级， MF=+2 的子能级上的原子既不能往高能级跃迁也没 有条件往低能级跃迁，所以这些原子数是不变的； 另一方面，跃迁到高能级的原子通过自发辐射等途 径很快又跃迁回 5S 低能级，发出自然光，跃迁选 择定则是： ， 相应的跃迁见图 1 的右半部分。 ， 退激跃迁中有一部分的状态变成了 5S 能级中的 MF=+2 的状态（而这一部分原子是不会吸收光再跃 迁到 5P 去的，那些回到其它 7 个子能级的原子都 图 1 87Rb 原子对 D1σ+光的吸收和自发辐射跃迁 可以再吸收光重新跃迁到 5P 能级） 。这样经过若干 循环之后， 5S 态中 M F 2 子能级上的粒子数就会越积越多（而其余７个子能级上的原子数越来越少） ， 即大量粒子被“抽运”到基态的 MF=+2 的子能级上，这就是光抽运效应。 各子能级上粒子数的这种不均匀分布叫做“偏极化” ，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就 可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。 3． 光磁共振跃迁 持续的光抽运，样品对 D1σ+光的吸收越来越弱，透过样品的光强度逐渐增加，当 M F 2 子能级上的 粒子数达到饱和，透过样品的光强达到最大值。 在“粒子数反转”后，如果在垂直于静磁场 B 和垂直于光传播方向上加一射频振荡的磁场，并且调整 射频频率 ，使之满足 h g F B B （1） 这时将出现“射频受激辐射” ，在射频场的扰动下，处于 MF=+2 子能级上的原子会放出一个频率为 ν、 方向和偏振态与入射量子完全一样的量子而跃迁到 MF=+1 的子能级，MF=+2 上的原子数就会减少；同样， MF=+1 子能级上的原子也会通过“射频受激辐射”跃迁到 MF=0 的子能级上„如此下去，5S 态的上面 5 个子 能级很快就都有了原子，于是光吸收过程重又开始，光强测量值又降低；跃迁到 5P 态的原子在退激过程中 可以跃迁到 5S 态的最下面的 3 个子能级上，所以，用不了多久，5S 态的 8 个子能级上全有了原子。由于此 时 MF=+2 子能级上的原子不再能久留，所以，光跃迁不会造成新的“粒子数反转” 。 通过以上的分析得到了如下的结论： 处于静磁场中的铷原子对偏振光 D1σ+的吸收过程能够受到一个射频信号的控制，当没有射频信号时， 铷原子对 D1σ+光的吸收很快趋于零，而当加上一个能量等于相邻子能级的能量差的射频信号（即公式（ 1）
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光磁共振1. 实验目的1.1. 掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能 级间的磁共振。
1.2. 测定铷同位素Rb 87和Rb 85的ｇF 因子，测定地磁场。
2. 实验仪器实验仪器包括：光（泵）磁共振实验仪、射频信号发生器、数字频率计、二通道型数字存储示波器、直流数字电压表等。
其中，光（泵）磁共振实验仪由主体单元和辅助源两部分组成。
主体单元是实验的核心部分，基本结构如图6-1所示。
图6-1 光（泵）磁共振实验仪主题单元示意图3. 实验原理3.1. 铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子、天然铷中含有两种同位素： Rb 87和Rb 85。
根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是52S 1/2，最低激发态是52P 1/2和52P 3/2的双重态。
对Rb 87,52P 1/2--52S 1/2跃迁为D 1线(7948Åλ=)，52P 3/2-52S 1/2为D 2线(7200Åλ=)。
铷原子具有核自旋I ，相应的核自旋角动量为PI ，核磁矩为μI 。
在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即PI 和PJ 耦合成总角动量PF ，F 为总量子数：F=I ＋J ．…，|I-J|。
对Rb87，I=3/2，因此Rb87的基态有两个值：F=2和F=1。
对Rb85，I=5/2，因此85Rb 的基态有F ＝3和F ＝2。
由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。
原子总角动量F P 与总磁矩F μ之间的关系2F FF eg P mcμ=- (6-1) 其中()()()()F F 1J J 1I I 1g =g 2F F 1F J+++-++ (6-2)当非磁性物质铷原子处于弱的外磁场B 中时，铷原子获得附加的能量F m F F F B E m g B μ=-⋅=μB (6-3)其中B μ为玻尔磁子，F m 为磁量子数，共有21F +个数值,1,...,F m F F F =--因此，对应于总量子数F 的超精细结构能级分裂成21F +个塞曼子能级。
3.光磁共振实验预习报告
光磁共振实验预习报告【摘要】光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。
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。
本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子两个同位素Rb 87或Rb 85的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。
【关键字】光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。
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。
由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。
1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。
【正文】 一、实验原理1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。
基态的L=0, 最低激发态的L=1。
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（既L —S 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。
电子轨道角动量L P 与其自旋角动量S P 的合成电子的总角动量S L J P P P +=。
原子能级的精细结构用总角动量量子数J 来标记，J=L+S ，L+S-1，…，|L-S |.对于基态， L=O 和S=1/2,因此Rb 基态只有J=1/2。
光磁共振实验报告
光磁共振实验报告光磁共振实验报告引言：光磁共振是一种先进的科学技术，它利用光和磁场之间的相互作用，实现了对物质微观结构的研究。
本实验旨在探索光磁共振的原理和应用，通过实验数据的收集和分析，进一步了解光磁共振在材料科学和生物医学领域的潜在应用。
实验方法：本实验使用了一台先进的光磁共振仪器，结合光学和磁学的原理，对样品进行了测试。
首先，我们选择了一种具有特定光学性质的材料作为样品，然后将样品放置在仪器中心，通过调节仪器的磁场强度和频率，观察样品的光学响应。
在实验过程中，我们记录下了不同磁场强度和频率下的光学响应数据，并进行了分析。
实验结果：通过对实验数据的分析，我们发现样品在特定磁场强度和频率下，会出现明显的光学响应。
在这些条件下，样品的透射光谱会发生明显的变化，出现新的吸收峰或波谷。
这种现象表明样品的光学性质受到了磁场的调控。
进一步的实验结果显示，当磁场强度和频率达到一定值时，样品的光学响应会发生剧烈变化，出现明显的共振现象。
这种光磁共振现象是由于磁场和光场之间的相互作用导致的。
实验讨论：光磁共振的发现和研究对材料科学和生物医学领域具有重要意义。
首先，在材料科学领域，光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质。
通过调节磁场的强度和频率，可以实现对材料的精确控制和调控。
这对于开发新型材料和改良材料性能具有重要意义。
其次，在生物医学领域，光磁共振可以用来研究生物分子的结构和功能。
通过将生物分子与磁性纳米粒子结合，可以实现对生物分子的高灵敏度检测和精确控制，为生物医学研究和临床诊断提供了新的手段。
实验结论：本实验通过光磁共振仪器的使用，成功地观察到了样品的光学响应和光磁共振现象。
实验结果表明，光磁共振是一种重要的科学技术，具有广泛的应用前景。
光磁共振可以用来研究材料的微观结构和性质，为材料科学的发展提供新的思路和方法。
同时，光磁共振还可以用来研究生物分子的结构和功能，为生物医学研究和临床诊断提供新的手段和工具。
光磁共振
基态 基态
52 P3/ 2
52 P 2 1/
F=2
F ( F + 1) + J ( J + 1) − I ( I + 1) gF = gI 2 F ( F + 1)
F=1
52 S1/ 2
F=2
F=1
塞曼子能级的形成
原子处于弱磁场中， 原子处于弱磁场中，由于原子总磁矩与磁场的相互 作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。 作用使能级进一步分裂，形成塞曼子能级。这些能级用 磁量子数来表示， 能级间距相同。 磁量子数来表示，M F = F , F − 1,..., − F ，能级间距相同。 相互作用能表示如下： u F 和 B 相互作用能表示如下：
me = 9.11×10 −31 kg
m质子 = 1.673 × 10 −27 kg eℏ µB = = 9.274 ×10 − 24 J / T 2me
；
h = 6.626 × 10 −34 J ⋅ s 普朗克常数： 普朗克常数：
扫场按钮按下，扫场与地磁场水平分量同向； 扫场按钮按下，扫场与地磁场水平分量同向； 水平场按钮弹出，水平场与地磁场水平分量同向； 水平场按钮弹出，水平场与地磁场水平分量同向； 垂直场按钮按下，垂直场与地磁场垂直分量同向； 垂直场按钮按下，垂直场与地磁场垂直分量同向；
二）. 观察光抽运信号
调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分量； 调节垂直场的方向和幅度使得其能抵消地磁场垂直分量； 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反， 加上方波扫场,方向与地磁场水平方向相反，在示波器上 观察光抽运信号， 观察光抽运信号，得到如下图所示的扫场和光抽运信号 的对照图： 的对照图： 脉
52 P1/ 2
光磁共振
102实验二十四 光 磁 共 振光抽运（Optical Pumping ，也称光泵）由克斯特勒（A. Kastler ）等人于本世纪五十年代初提出。
光磁共振是指通过“光抽运一磁共振一光探测”来研究原子细微结构的一种实验方法，它解诀了光谱方法及核磁共振、电子顺磁共振方法不能满意解决的微观粒子内部细微结构和变化的许多问题。
光磁共振光探测技术是原子结构研究的重要手段，在激光、电子频率标准和精测弱磁场等方面也有重要应用。
【实验目的】1．了解光磁共振的基本原理和实验方法。
2．观察铷原于基态塞曼光抽运信号和磁共振信号，测定g 因子值。
3．运用光磁共振方法测量地磁场。
【实验原理】1．铷原子能级的超精细结构及塞曼分裂原子的核磁矩与电子磁矩的相互作用会产生原子能级的超精细结构。
而原子的总磁矩与磁场的相互作用, 使超精细结构进一步分裂（塞曼效应）。
我们知道，在磁场中，原子总磁矩与磁场B 的相互作用能为B m g B E B F F F μμ=⨯-=→→(1)式中F m 一原子总角动量J 在磁场方向的投影，称为磁量子数。
共有2F ＋1个值，F 为原子总量子数：μB 一玻尔磁子，为一物理常数；B 一磁场的磁通密度，F g 一朗德因子，其值在理论上为)1(2)1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g JF)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J（S 一电子自旋量了数：L 一电子轨道量子数；I 一原子核自旋量了数；J 一L 与S 的合成量子数，从（1）式可知，相邻两塞曼了能级间的能量差为B g E B F μ=∆ (2)铷（Rb ）属碱金属，天然铷同位素有两种， 85Rb 占72．15％， 87Rb 占27.85％，原子能级基态是2/125S (，对应L ＝0，S ＝1／2,J=1/2)，最低激发态2/125P 与2/325P 是的双重态（对应L=1，S ＝1／2,J=1/2,3/2），基态2/125S 跃迁到最低激发态2/125P 与2/325P 的D 1 线波长是794.8nm ，D 2 线波长是780.0nm ，以87Rb 为例，图1表示它在磁场中的精细结构及塞曼分裂。
近 代 物 理 实 验
近代物理实验实验报告班级学号姓名上课时间联系电话实验I 光磁共振一、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掌握光磁共振的实验技术；3测定铷原子的g因子和测定地磁场。
二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）什么是光抽运效应？产生光抽运信号的实验条件是什么？怎样用光抽运信号检测来检测磁共振现象？2）如何确定水平磁场、扫场直流分量方向与地磁场水平分量方向的关系及垂直磁场与地磁场垂直分量的关系？3）扫场不过零，能否观察到光抽运信号？为什么？4）利用光抽运探测磁共振比直接探测磁能级之间的磁共振跃迁的信号灵敏度可提高多少倍？2. 创意实验J 铁磁共振一、实验目的1．了解铁磁共振的基本原理，观察铁磁共振现象；2．测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；3．测量微波铁氧体的g因数二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1. 思考题解答1）本实验是怎样测量磁损耗的？实验中磁损耗又是通过什么来体现的？2）为什么在传输式谐振腔中有磁性样品时，腔的谐振频率会随外加稳恒磁场的改变而发生变化，并且在空腔的谐振频率上下波动，即产生所谓频散效应？3）如何精确消除频散效应？实验中是如何处理频散效应的？2. 创意实验K 核磁共振一、实验目的1.掌握ＮＭＲ的基本原理及观测方法；2.用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象；3.由共振条件测定氟核（１９Ｆ）的g因子。
二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、数据处理（数据记录表格自拟；可视情自行添加附页）六、对本实验的思考与创意1．思考题解答1）简述核磁共振的原理并回答什么是扫场法和扫频法？2）NMR实验中共用了几种磁场？各起什么作用？3）试想象如何调节出共振信号。
4)不加扫场电压能否观察到共振信号？2. 创意实验L 电子顺磁共振一、实验目的1．了解电子顺磁共振的原理；2．掌握FD-TX-ESR-II型电子顺磁共振谱仪的调节和使用方法；3．利用电子顺磁共振谱仪测量 DPPH的g因子。
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光磁共振——预习报告【作者】周朝健（081810139）物理081【摘要】以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法，使用DH807A型光磁共振实验装置来观察光抽运信号，进而测定铷原子两个同位素87Rb和85Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德因子的测量。
【关键词】光磁共振、光抽运、塞曼分裂。
【正文】（一）铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级实验研究对象是铷的气态自由原子。
铷是碱金属，它和所有的碱金属原子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。
主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0,1, …,n－1。
基态的L=0，最低激发态的L=1。
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）而发生能级分裂，称为精细结构。
轨道角动量P s、的合成角动量P J=P L+P S。
原子的精细结构用总角动量量子数J来标记，J=L+S,L+S-1, …,│L-S│。
对于基态，L=0和S=1/2,因此Rb基态只有J=1/2。
其标记为５２S1/2。
铷原子最低激发态是52P1/2及52P3/2双重态。
这是由于轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。
52P1/2态的J=1/2, 52P3/2态的J=3/2。
５Ｐ与５Ｓ能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第１条线，为双线。
它在铷灯光谱中强度是很大的。
52P1/2→５２S1/2跃迁产生波长为7947.6?的D1谱线，52P3/2→５２S1/2跃迁产生波长7800?的D2谱线。
原子的价电子在LS耦合中，总角动量P J与原子的电子总磁矩μJ的关系为(1)(2)g J是朗德因子，J、L和S是量子数。
核具有自旋和磁矩。
核磁矩与上述原子的电子总磁矩之间相互作用造成能级的附加分裂。
这附加分裂称为超精细结构。
铷元素在自然界中主要有两种同位素，Rb87占27.85%, Rb85占72.15%。
两种同位素铷核的自旋量子数I是不同的。
核自旋角动量P I与电子总角动量P J 耦合成P F,有P F＝P I＋P J。
JI耦合形成超精细结构能级，由F量子数标记，F=I+J、…, │I-J │。
Rb87的I=3/2,它的基态J=1/2,具有F=2和F=1两个状态。
Rb85的I=5/2，它的基态J=1/2，具有F=3和F=2两个状态。
整个原子的总角动量P F与总磁矩μF之间的关系可写为(3)其中的g F因子可按类似于求g J因子的方法算出。
考虑到核磁矩比电子磁矩小约3个数量级，μF实际上为μJ在P F方向的投影，从而得(4)g F是对应于μF与P F 关系的朗德因子。
以上所述都是没有外磁场条件下的情况。
如果处在外磁场B中，由于总磁矩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子能级。
用磁量子数M F来表示，则M F=F,F-1,…,-F，即分裂成2F+1个子能级，其间距相等。
μF与B的相互作用能量为(5)式中μB为玻尔磁子。
Rb87的能级、Rb85的能级见图，为了清楚，所有的能级结构图均未按比例绘制。
各相邻塞曼子能级的能量差为(6)可以看出△E与B成正比。
当外磁场为零时，各塞曼子能级将重新简并为原来能级。
（二）增大粒子布居数之差，以产生粒子数偏极化气态Rb87原子受D1σ╋左旋偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则△F=0,±1 △M F=+1在由５２S1/2能级到 52P1/2能级的激发跃迁中，由于σ╋光子的角动量为+h，只能产生△M F=+1的跃迁。
基态M F=+2子能级上原子若吸收光子就将跃迁到M F=+3的状态，但52P1/2各子能级最高为M F=+2。
因此基态中M F=+2子能级上的粒子就不能跃迁，换言之其跃迁几率为零。
见图。
由52P1/2到５２S1/2的向下跃迁（发射光子）中，△M F=0，+1的各跃迁都是可能的。
经过多次上下跃迁，基态中M F=+2子能级上的子粒子数只增不减，这样就增加了粒子布居数的差别。
这种非平衡分布称为粒子数偏极化。
类似地，也可以用右旋圆偏振光照射样品，最后都布局在基态F=2，且M F=-2的子能级上。
原子受光激发，在上下跃迁过程中使某个子能级上粒子过于密集称之为光抽运。
光抽运的目的就是要造成基态能级中的偏极化，实现了偏极化就可以在子能级之间进行磁共振跃迁实验了。
（三）驰豫时间在热平衡条件下，任意两个能级E1和E2上的粒子数之比都服从波耳兹曼分布N2/N1=e-△E/kT,式中△E= E2-E1是两个能级之差，N1、N2分别是两个能级E1、E2上的原子数目，k是玻耳兹曼常数。
由于能量差极小，近似地可认为个子能级上的粒子数是相等的。
光抽运增大了粒子布居数的差别，使系统处于非热平衡分布状态。
系统由非热平衡分布状态趋向于平衡分布状态的过程称为驰豫过程。
促使系统趋向平衡的机制就是原子之间以及原子与其它物质之间的相互作用。
在实验过程中要保持原子分布有较大的偏极化程度，就要尽量减少返回波耳兹曼分布的趋势。
但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的偏极化，不利于实验的进行。
然而铷原子与磁性很弱的气体如氮（N2）或氖（N e）碰撞，对铷原子状态的扰动极小，不影响原子分布的偏极化。
因此在铷样品泡中充入10托的氮气，它的密度比铷蒸气原子的密度大6个数量级，这样可减少铷原子与容器以及与其它铷原子的碰撞机会，从而保持铷原子分布的高度偏极化。
此外，处于52P1/2态的原子需与缓冲气体分子碰撞多次才能发生能量转移，由于所发生的过程主要是无辐射跃迁，所以返回到基态中八个塞曼子能级的几率均等，因此缓冲气体分子还利于粒子更快的被抽运到M F=+2子能级的过程。
铷样品泡温度升高，气态铷原子密度增大，则铷原子与器壁及铷原子之间的碰撞都要增加，使原子分布的偏极化减小。
而温度过低时铷蒸气的原子数不足，也使信号幅度变小。
因此有个最围，一般在40o-60oC之间。
（四）塞曼子能级之间的磁共振因光抽运而使Rb87原子分布偏极化达到饱和以后，铷蒸气不再吸收D1σ╋光，从而使透过铷样品泡的D1σ╋光增强。
这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场B的方向加一频率为υ的射频磁场，当υ和B之间满足磁共振条件(7)时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。
跃迁遵守选择定则△F=0, △M F=±1铷原子将从 M F=±2的子能级向下跃迁到各子能级上，即大量原子由M F=+2的能级跃迁到M F=+，以后又跃迁到M F=0,-1,-2等各子能级上。
这样，磁共振破坏了原子分布的偏极化，而同时，原子又继续吸收入射的D1σ╋光而进行新的抽运，透过样品泡的光就变弱了。
随着抽运过程的进行，粒子又从M F=-2,-1,0,+1 各能级被抽运M F=+2 的子能级上。
随着粒子数的偏极化，透射再次变强。
光抽运与感应磁共振跃迁达到一个动态平衡。
光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。
Rb85也有类似的情况，只是D1σ╋光将Rb85抽运到基态M F=+3的子能级上，在磁共振时又跳回到M F=+2，+1,0,-1,-2,-3等能级上。
射频（场）频率υ和外磁场（产生塞曼分裂的）B两者可以固定一个，改变另一个以满足磁共振条件（7）。
改变频率称为扫频法（磁场固定），改变磁场称为扫场法（频率固定）。
本实验装置是采用扫场法。
（五）光探测投射到铷样品泡上的D1σ╋光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程核磁共振过程的信息，因此又可以兼做探测光，用以观察光抽运和磁共振。
这样对铷样品加一射频场（同时存在着使铷原子产生塞曼分裂的磁场），用D1σ╋光照射铷样品泡，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运-磁共振-光探测。
在探测过程中射频（106Hz）光子的信息转换成了频率高的光频（1014Hz）光子的信息，这就使信号功率提高了8个数量级。
样品中Rb85和Rb87都存在，都能被D1σ╋光抽运而产生磁共振。
为了分辨是Rb85还是 Rb87参与磁共振，可以根据它们的与偏极化有关能态的g F因子不同加以区分。
对于Rb85，由基态中F=3的态的g F因子可知υ0/B0=μB g F/h=0.467MHz/Gs,对于Rb87, 由基态中F=2的态的g F 因子可知υ0/B0=0.700 MHz/Gs。
·实验仪器本实验系统有主体单元，电源，辅助源，射频信号发生器及示波器五部分组成。
见图。
1 主体单元：主体单元是该实验装置的核心，如图3所示。
由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。
天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52mm的玻璃泡内，该如泡两侧对称放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁场。
这个铷吸收泡和射频线全都置于圆柱形恒温槽内，称它为“吸收池”。
槽内温度约在55度左右。
吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心。
小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。
大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它是铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。
另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场。
铷光谱灯作为抽运光源。
光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两头镜的焦距为77mm，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再会聚到光电池上。
干涉滤光镜（装在铷光谱灯的口上）从铷光谱中选出光（波长为7948埃）。
偏振片和1/4波片（和准直透镜装在一起）使光成为左旋圆偏振光。
偏振光对基态朝精细塞曼能级有不同的跃迁几率，可以在这些能级间造成较大的粒子数差。
当加上某一频率的射频磁场时，将产生“光磁共振”。
在共振区的光强由于铷原子的吸收而减弱。
通过大调场法，可以从终端的光电探测器上得到这个信号。
经放大可从示波器上显示出来。
铷光谱灯是一种高频气体放电灯。
他由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。
铷灯泡放置在高频震荡回路的电感线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。
整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内，温度控制在90摄氏度左右。
高频振荡器频率约为65 MHz。
光电探测器接收透射光强度变化，并把光信号转成电信号。
接收部分采用硅光电池。
放大器倍数大于100。
电源为主体单元提供四组直流电源，第1路是0-1A可调稳流电源，为水平磁场提供电流。
第2路是0-0.5A可调稳流电源，为垂直磁场提供电流。
第3路是24V/0.5A稳压电源，为铷光谱灯、控温电路、扫场提供工作电压。
第4路是20V/0.5A稳压电源，为灯震荡、光电检测器提供工作电压。
3 辅助源：辅助源为主体单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。
并设有“外接扫描“插座可接SBR-1型示波器的扫描输出，将其锯齿扫描经其电阻分压及电流放大，作为扫场信号源代替机内到场信号，辅助源与主体单元由24线电缆连接。