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本实验的基本思想是利用光抽运效应研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。这种光磁共振技术,巧妙地将磁共振-光抽运-光探测的方法结合起来,既保持了磁共振方法研究元素超精细结构及其在磁场中产生塞曼分裂的小能级间距调谐准确度高的优点,又通过光抽运使低浓度原子样品条件下提供尽可能多的粒子参与磁共振,再用光探测的方法进行探测,与用直接测量射频辐射量子的能量相比,灵敏度提高7~8个数量级[2],为现代物理学的研究提供了重要的实验手段,并为激光和原子频标的发展打下了基础。

2   实验原理   

光磁共振是把光频跃迁和射频跃迁结合起来的一种物理过程。本实验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。所研究的对象是铷（Rb）的汽态自由原子。

2.1 铷原子基态和最低激发态的能级

铷是一价的碱金属，它的价电子处于第5壳层,主量子数 n= 5。由于电子轨道角动量与自旋角动量的相互作用（即LS耦合），使原子能级具有精细结构，用电子总角动量量子数J来表示。 , ...... 。对于基态，  , ，只有 一个态，标记为 。对于最低激发态， 1， ，则有 =3/2和 =1/2双重态，标记为 和 。

由于铷原子的核自旋 ，存在核自旋角动量与电子总角动量相互作用（即IJ耦合），则原子能级具有超精细结构，用原子总角动量量子数F来表示。 。铷元素在自然界中主要有两种同位素： （占27.85%）。 （占72.15%）。它们的自旋量子数不同 的I=3/2，因而它的基态（J=1/2）具有F=1和2两个状态。其最低激发态（J=1/2）,亦具有F=1和2两个状态。 的I=5/2，其基态则有F=3和F=2。最低激发态亦有F=3和2。

对于LS耦合，总角动量 与总磁矩 的关系为论文网

同理，对于IJ耦合，也有相同的结论。这里讨论的是没有外磁场条件下的情况。如果铷原子处于外磁场 中，由于其总磁矩 与磁场 的相互作用，超精细结构能级还要进一步发生塞曼分裂，形成塞曼子能级。用磁量子数 标记。故塞曼子能级数目共有（2F+1）个[3]。

2.2  圆偏振光对铷原子的激发

光抽运的基础是光和原子之间的相互作用。在磁场中，偏振光只能引起某些特定塞曼能级之间的跃迁。对于左旋圆偏振光即 光，角动量为 ，根据角动量守恒定律，选择定则为 和 。而 原子的 态的塞曼子能级的 最大值都为 [4]。因此，当用 的 （794.8nm)光照射时，不能激发基态时中 能级上的原子向上跃迁。而基态中其余能级上的原子则可以吸收 的 光而跃迁到 的各塞曼子能级上。即 光只能把基态除 以外各子能级上存在的原子激发到 的相应状态上。

把上面的叙述归纳起来就是：在圆偏振光作用于原子时，受激跃迁的选择定则是 以及 (或-1)，将有一些特定的能级无法激发。在紧接着的激发态自发辐射跃迁中，选择定则却是 以及  ，各子能级都能得到向下跃迁的原子。于是经由激发态“中间转运”，大多数的原子将被抽运到 最高（或最低）的子能级上，即发生了“偏极化”。文献综述

2.3  弛豫过程

在热平衡状态下，基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布： [4]。由于各子能级的能量差极小，近似地可认为各个能级上的粒子数是相等的。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。与弛豫有关的几个主要过程： 

1） 铷原子与容器器壁的碰撞：这种碰撞导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布，失去光抽运造成的偏极化。  (责任编辑：qin)