图 3 （上）光抽运信号 （下）扫场波形
c.保持垂直场的大小和偏振片的位置不变,扫场方式改为“三角波”，打开频率计，设置 射频频率为 650KHz，在 0—1A 的电流范围内调节水平方向的电流，然后观察共振信号，特 别注意在三角波谷和波峰处的共振信号，然后对水平场和扫场信号与地磁场水平方向的不同 组合情况下测量四个共振信号所对应的水平场电流值，根据这些数值就可以算出铷原子的
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或塞曼子能级间粒
子数的非热平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术实际上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，它是 1955 年法国科学家卡斯特勒（A.Kastler）发明的。在 光泵磁共振技术中，一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布，使更多的粒子参与磁共振； 另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探 测灵敏度提高了七八个数量级。如今，光泵磁共振已广泛应用于基础物理研究，比如原子的 磁矩、能级结构和 g 因子测量。此外，在原子频标、激光及弱磁场测量等方面，这一方法也 是极为有利的实验手段。 本实验研究铷原子的光泵磁共振现象，并测量铷原子的朗德 g 因子和地磁场强度。 二、 原理:
铷原子的光泵磁共振实验
学号
姓名：
实验日期：
指导老师：
【摘要】 在本实验中我们运用光泵磁共振技术，研究了铷原子的光抽运信号和磁共振信
号，最终测量得 87Rb 的朗德 g F 因子为 0.4981， 85Rb 的朗德 g F 因子为 0.3348，以及地磁
场的大小为 0.4245GS.
关键词：光抽运、磁共振、超精细结构、塞曼子能级、朗德 g F 因子
去 D2 线。用高碘硫酸奎宁偏振片和 40μm 左右的云母 1／4 波片可产生左旋圆偏振光 。
透镜 L1 可将光源发出的光变为平行光，其焦距常采用 f＝5～8cm 的凸透镜。透镜 L2 将透过 样品泡的平行光会聚到光电接受器上。
3.实验方法： a.将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。然后接通电源 线，按下电源开关。约 30 分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。 b.扫场方式先选择“方波”，适当调大扫场幅度。设置扫场方向与地磁场水平分量方向 相反,预置垂直场电流为 0.０７Ａ,方向与地磁场垂直方向相反然后旋转偏振片的角度，调 节扫场幅度及垂直场大小和方向（综合调节），使光抽运信号（如图 3）幅度最大。再仔细 调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。这样，我们就可以使出射的为圆偏振光，使垂直方 向的磁场刚好抵消地磁场。
780.0nm。 在核自旋 I=0 时，原子的价电子经 L-S 耦合后总角动量和原子的总磁矩的关系为
J
Байду номын сангаас
g J
e 2me
PJ
(1)
gJ
1 J(J
1) L(l 1) S(S 1) 2J(J 1)
(2)
当 I 不为零时，核磁矩与电子自旋及轨道磁矩相互作用，使能级进一步分裂，产生了超
精细结构。则耦合后的总量子数为 F I J , ,I J ， 87Rb 的 I 3/ 2 ，它的基 态 J 1/ 2 ，具有 F 1和 F 2两个状态。 85Rb 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 PF 与总磁矩 F 之间的关系可写为 ：
持原子分布的偏极化，我们要抑制弛豫过程。
三、 实验： 1.实验装置如图 2 示：
图 2 光泵磁共振装置
2．实验装置作用： 光源采用高频无极放电 Rb 灯，其优点是稳定性好，噪音小，光强大。由于 D2 线的存在 不利于 D1 线的光抽运，故用透过率大于 60％，带宽小于 15nm 的干涉滤光片就能很好地滤
F =-gF
e 2me
PF
(3)
gF
gJ
F(F
1) J(J 1) I(I 2F(F 1)
1)
(4)
在外加磁场作用下，超精细能级进一步分裂，形成塞曼子分裂。磁量子数
M F F, F 1,,F ，即分裂成 2F+1 个能量间距基本相等的塞曼子能级。相邻塞曼子
能级间的能量差为：
E gF B B0
越多，这就是光抽运。
这时其它能级上的粒子数已大大减小，若加一个使电子从 mF ＝+2 向 mF =+1 跃迁的频 射场，就产生了感应跃迁。这样，由于产生磁共振，对 D1的 光 的吸收增大，故可以通 过对 D1的 光 的吸收强度的变化判断是否产生了磁共振，而光的能量远大于射频场的能
量，这样就提高了实验的精度，可以使信号功率提高 7-8 个数量级。 另外，从非热平衡分布状态趋向于热平衡分布状态的过程叫弛豫过程,在实验中为了保
图 1 （a） 87Rb 基态粒子吸收 D1s+光子跃迁到激发态的过程； （b）87Rb 激发态粒子通过自发辐射返回基态各子能级。
由图知该圆偏振光能把除 mF ＝+2 以外的各子能级上的原子激发到 52 P1/ 2 的相应子能 级上，而向下辐射跃迁的概率相等，这样经过若干循环后 mF ＝+2 子能级上的粒子数就越来
(5)
在热平衡条件下，各能级的粒子数遵守玻尔兹曼分布，而超精细结构的塞曼子分裂能级 相差很小，导致各子能级上的粒子数基本上可认为是相等的，因此我们采用光抽运的方法， 使粒子数聚集分布在某一能级从而实现偏极化。
87 Rb 的 52 S1/ 2 态及 52 P1/ 2 态的磁量子数 mF 最大值都是+2，当入射光是 D1的 光 时， 由于只能产生Δ mF =+1 的跃迁，基态 mF ＝+2 子能级的粒子不能跃迁，如图 1 示：
实验研究的对象是 Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于 5s 能级上，因此其电子轨道 角 动 量 量 子 数 L=0, 电 子 自 旋 轨 道 角 动 量 量 子 数 s=1/2. 其 总 角 动 量 量 子 数
J L S, L S 1, L s 。所以 Rb 原子的基态只有 J 1/ 2 ，标记为 52 S1/ 2 。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，谱线为双线。52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁 产生的谱线为 D1 线，波长是 794.8nm；52 P1/ 2 到 52 S1/ 2 的跃迁产生的谱线为 D2 线，波长是