实验9.3光磁共振物理系杨元飞061120139引言光磁共振技术是２０世纪５０年代法国物理学家HYPERLINK"javascript:show(a)"卡斯特勒（Ａ．Ｋａｓｔｌｅｒ）提出的。他于１９９６年获诺贝尔物理学奖。该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。因此光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。实验目的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。２．测定铷同位素Ｒｂ８７和Ｒｂ８５的ｇF因子，测定地磁场。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磁共振现象的双共振技术。由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同时又将测量灵敏度提高了几个数量级。它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很大的应用价值。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：Ｒb87和Ｒb85。根据ＬＳ耦合产生精细结构，它们的基态是52Ｓ1／2，最低激发态是52Ｐ1／2和52Ｐ3／2的双重态。对Ｒb87，52Ｐ1／2—52Ｓ1／2跃迁为Ｄ1线（λ1＝7９４8）；52Ｐ3／2—52Ｓ1／2为Ｄ2线（λ2＝7200）。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ＲB85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ＰF与总磁矩μF之间的关系为：μF＝-gFPF（9.3-1）ｇF＝gJ(9.3-2）在磁场Ｈ中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某－F值，磁量子数ＭF＝F，…，－F，即分裂为2F＋1个能量间距相等（ΔＥ＝ｇFμBＨ，μB为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图9.3-1）。在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布（Ｎ＝Ｎ0ｅ－E／kT），由于基态各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。2．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应对塞曼效应原子能级跃迁，ＭF通常的选择定则是ΔＭF＝０，±1，但如用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量。对于左旋圆偏振的σ＋光子与原子相互作用，因它具有一个角动量＋，原子吸收了它就增加了一个角动量＋值，则只有ΔＭF＝＋1的跃迁。Ｒb87的52Ｓ1／2和52Ｐ1／2态的ＭF最大值都是＋2，当入射光为σ＋时，由于只能产生ΔＭF＝＋1的跃迁，基态52Ｓ1／2中ＭF＝＋2子能级的粒子跃迁概率为０，而粒子从52Ｐ1／2返回52Ｓ1／2的过程，由于是自发跃迁，按选择定则ΔＭF＝０，±1布居，从而使得ＭF＝＋2粒子数增加（见图9.32）。这样经过若干循环后，基态ＭF＝＋2子能级上粒子布居数大大增加，即ＭF≠＋2的较低子能级上的大量粒子被“抽运”到ＭF＝＋2上，造成粒子数反转，这就是光抽运效应（亦称光泵）。光抽运造成粒子非平衡分布，ＲB原子对光的吸收减弱，直至饱和不吸收。同时，每一ＭF表示粒子在磁场中的一种取向，光抽运的结果使得所有原子由各个方向的均匀取向变成只有ＭF＝＋2的取向，即样品获得净磁化，这叫做“偏极化”。外加恒磁场下的光抽运就是要造成偏极化。σ－光有同样作用，不过它是将大量粒子抽运到ＭF＝－2子能级上。当为π光时，由于ΔＭF＝０，则无光抽运效应，此时Ｒb原子对光有强的吸收。3．弛豫过程原子系统由非热平衡的偏极化状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。它主要是由于铷原子与容器壁碰撞，以及原子之间的碰撞使系统返回到热平衡的玻尔兹曼分布。系统的偏极化程度取决于光抽运和弛豫过程相互竞争的结果。为使偏极化程度高，可采用加大光强以提高光抽运效率，选择合适的温度以合理控制原子密度，充适量的惰性气体（抗磁气体）以减少弛豫过程的影响。４．射频诱导跃迁——光磁共振光抽运造成偏极化，光吸收停止。这时若加一频率为1的右旋圆偏振