复旦大学：物理实验课程《核相关基础实验（I）》电子讲义_光泵磁共振实验介绍

近代物理实验 “近代物理实验I/A”部分 光泵磁共振实验 乐永康 复旦大学物理实验教学中心 http://phylab.fudan.edu.cn

近代物理实验 “近代物理实验I/A”部分 光泵磁共振实验 乐永康 复旦大学 物理实验教学中心 http://phylab.fudan.edu.cn

1966年的诺贝尔物理学奖 Alfred Kastler Prize motivation For the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms Optical Pumping (光抽运/光泵技术) 摘自: http://ww.nobelprize.org/nobelprizes_/physics/laureates/1966/kastler facts htm phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 1966年的诺贝尔物理学奖 Alfred Kastler • Prize motivation: For the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms. —— Optical Pumping （光抽运/光泵技术） 摘自: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1966/kastler -facts.html

铷原子的能级图 Rb +2 5P F=2g=+16 F=1gp=-16 D, D F=2g=+1/2 5S -1/2 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 铷原子的能级图

光泵磁共振 1. B-10-5T, AE= gFuBB<kT(T-300K) 根据波尔兹曼分布,处于 F=2 不同塞曼子能级上的原子近似平均分布 2.D1o+激发,选择定则 AF=0,±1,AM==+1 3.退激,选择定则:AMF=0土1 4.使原子密集于M=+2,偏激化 5.上述过程称为光抽运(光泵) 5" S1a 6.hU=gHBB,磁共振(U~MHz) 7.光探测: 50°时,铷的饱和蒸汽压:~106Tor,n? 光抽运过程示意图 透射光的变化反应磁共振,信号功率~108倍放大 8.直流背景下交变信号的提取 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 1. 当 B ~ 10-5 T, E = gF BB≪kT (T~300K) 根据波尔兹曼分布，处于 不同塞曼子能级上的原子近似平均分布 2. D1+激发，选择定则： F = 0,1，MF = +1 3. 退激，选择定则：MF = 0,1 4. 使原子密集于MF = +2，偏激化 5. 上述过程称为光抽运（光泵） 6. h = gF BB，磁共振 ( ~ MHz) 7. 光探测： 50℃时，铷的饱和蒸汽压：~10-6 Torr，n？ 透射光的变化反应磁共振，信号功率~108倍放大 8. 直流背景下交变信号的提取 光泵磁共振 光抽运过程示意图

基本概念 精细结构、超精细结构、塞曼分裂 g因子 玻尔兹曼分布、偏极化 激发、弛豫、吸收、抽运、磁共振 圆偏振光激发、选择定则 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 基本概念 • 精细结构、超精细结构、塞曼分裂 • g 因子 • 玻尔兹曼分布、偏极化 • 激发、弛豫、吸收、抽运、磁共振 • 圆偏振光激发、选择定则

实验仪器 干涉 射频线圈 滤光片 铷光谱灯‖透 样品泡Ⅲ透 镜 L2光电探测器 ③)‖0政大哥 偏1 光电池 高频振波恒温槽 「示波器 振荡器片片 垂直磁场线圈 水平磁场线圈 +扫场线圈 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 实验仪器

对实验现象保持敏感 垂直场电流:0.054A;扫场幅度:~225V 水平场电流:0200A 0.190A 0.185A 水平场电流:0181A 0.179A 0.173A

phylab.fudan.edu.cn 对实验现象保持敏感 垂直场电流：0.054A； 扫场幅度：~2.25V 水平场电流：0.200A 水平场电流：0.181A 0.190A 0.185A 0.179A 0.173A

学习难点 各种磁场的作用(影响):地磁场、水平 场、垂直场、扫场——磁场大小、方向如 何组合实现所需实验条件,以便观察对应 的实验现象 正确理解观察到的丰富、多变的实验现象 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 学习难点 • 各种磁场的作用（影响）：地磁场、水平 场、垂直场、扫场——磁场大小、方向如 何组合实现所需实验条件，以便观察对应 的实验现象 • 正确理解观察到的丰富、多变的实验现象

注意事项 个特定的实验条件下有多个“共振频率”,怎么理解? “多量子过程”能解释吗? 共振线宽的物理含义?怎么正确测量? —要注意信号处理过程对结果可能产生的影响。 Vcc 6.2k 1R2 6.2kQ IkQ 10k0 100k U1 OP.07 6.4kQ 二100 D1 ▲2cR62 探测器的放大电路 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 注意事项 • 一个特定的实验条件下有多个“共振频率”，怎么理解？ “多量子过程”能解释吗？ • 共振线宽的物理含义？怎么正确测量？ ——要注意信号处理过程对结果可能产生的影响。 探测器的放大电路

参考文献 《近代物理实验补充讲义》,复旦大学物 理教学实验中心 吴思诚、王祖铨,《近代物理实验》(第 三版),高等教育出版社:北京,200511 phylab fudan. edu.cn

phylab.fudan.edu.cn 参考文献 • 《近代物理实验补充讲义》，复旦大学物 理教学实验中心 • 吴思诚、王祖铨，《近代物理实验》（第 三版），高等教育出版社：北京，2005.11