光泵磁共振实验 - 复旦大学.doc

光泵磁共振实验光泵磁共振实验陈骋 08300720378 摘要： 本实验介绍产生光抽运信号和磁共振信号的原理，测量分析了垂直磁感 应强度对于信号幅度的影响原因关键字： 光抽运信号 磁共振信号 竖直方向磁场引言：光泵磁共振实验包括了原子物理中很多的内容，其中用光抽运-磁共振- 光探测技术，对于原子、离子和 的研究有着非常重要的意义，使我们更加深刻 了对于微观粒子结构的认识光泵磁共振实验装置示意图 实验原理 光抽运信号的产生 当磁场扫过零（水平零场总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能及随之发生改 变，简并随即再次分裂在这个时候，铷原子分布由于碰撞等导致自选方向混 杂而失去了偏极化，所以重新分裂后个塞曼子能级上的离子数又接近相等，对 光的吸收又达到最大，就能观察到光抽运信号 磁共振信号的产生 磁共振波破坏了粒子分布的偏极化，引起新的光抽运信号也就是说如果磁场与射频信号满足，那么铷原子分布又会失去偏极化，产生磁共振信FBhvgB号，而光抽运信号的跃迁速率比磁共振跃迁速率大，所以两者之间会达到一个 动态平衡实验内容垂直磁感应强度对光抽运信号幅度的影响 为了得到光磁共振信号，实验中先调节垂直场电流，使得垂直场合地磁场的垂 直分量相互抵消，接着调整水平场，把扫场信号换成三角波。

水平场、扫场以 及地磁场水平分量相互叠加作用，使得铷原子产生塞曼分裂 在实验中垂直磁感应强度变化时，示波器的光抽运信号振幅是不一样的在先 设定水平磁感应强度不变的情况下，消除地磁场垂直磁场的影响由此测得垂直磁场电流为 0.070A，由公式，得到对应电流为012() /(2)FBBvv hg0.070A，计算所得磁感应强度 0.21Gs取水平磁感应强度电流为 0.018A、0.025A 和 0.032A 在三种情况下，光抽运信号幅度和磁感应强度关系垂直磁场电流/mA光抽运信号幅度/mV 0.019Gs0.016Gs0.013Gs -60998574 -5011110086 -40122114104 -30136128125 -20146146148 -10160162168 0168174180 10158162168 20146144148 30134128126 40122114104 501129888 60988472如果我们作一个归一化图像，做归一化的原因是由于地磁场有一个垂直于光线传播方向又垂直于分解地磁场 竖直方向的分量，这个分量可能是因为仪器的放置造成的，也可能是竖直地磁 场的影响并没有完全消除，因为我们并不能确定仪器的抵消地磁场竖直分量所 用的垂直场和地磁场是完全在一条轴上，另外也有可能是测量造成的误差，但 是可以确定的是这个分量是一个 cos 的角度，也就是说归一化以后可以消除这 样的一个误差。

有图看出，垂直磁感应增加，抽运信号振幅减小随着水平磁场的磁感应强度 越强，则抽运信号的振幅变化就越小 这个现象可以这样做出解释，光源通过四分之一波片后，由线偏振光成为圆偏 振光电场强度 E 所在平面方向——始终在水平方向——是始终不变的在这 里有一个概念是态迭加原理，这个原理说明任意一个偏振态的光子，能够被表 示成两个互相垂直的偏振态的迭加在本实验中，入射的圆偏振光可以被表示 成一个垂直于磁场的方向和一个平行于磁场的方向其中垂直于磁场方向的部分进行光抽运，而平行的部分则被原子不断吸收，使整个系统增大布居数之差， 产生偏极化由于垂直于磁场方向的圆偏振光分量，和平行分量呈九十度，光 子场强指向和原来磁场磁感应强度呈九十度，又因为彼此之间有一个共同的夹 角，所以垂直分量和光子电场原来强度的指向的夹角，应该和平行分量与总磁 场感应强度的夹角相等抽运信号强度取决于入射光的强度，而有效部分是水平分量实现光抽运的部分，所以可以推出公式光强 I 正比于，所以抽运信2cos号振幅随垂直感应强度增加减小，且若水平磁场强度越小，那么抽运信号的幅 度随垂直磁感应强度变化越大 由于电流为 0.007A，垂直方向磁感应强度为零，我们可以得到不同水平磁场下 抽运信号振幅随垂直感应强度的对应关系。

竖直场线圈 电流/mA竖直场磁感 应强度/Gs/rad2cos抽运信号振 幅/mV抽运信号相 对振幅 700011801 800.030.2267990.9494381680.933333 900.060.4324080.824391480.822222 1000.090.6055450.6761260.7 1100.120.7454190.5399361040.577778 1200.150.8567060.428934880.488889 1300.160.9453110.342799720.4 从中我们得到抽运信号振幅和抽运信号相对振幅的对比 下图为磁感应强度为 0.13gs 时的两者对应关系由图可以看出，在 θ 小于 0.5 的时候，两者之间误差并不是很大，吻合地相当好，可见解释是成立的而在 θ 大于 0.5 的时候由于相对振幅归一化后造成数字上的偏差导致了两条 线的偏离特别感谢曹前、张天宁同学以及实验室各位老师在实验中给予的帮助参考文献： 吴思诚等 近代物理实验 北京大学出版社 1986 年 2 月第一版 .杨福家 原子物理学 高等教育出版社 2004 侯清润，曾蓓 磁场对光抽运信号的影响 物理实验 2000。