综对光的吸收线型，将在下文讨论。截面0 取决于原子对于共振频率0 的响应，主要与三个 因素有关：原子激发态衰变时间，原子与气室中其他气体分子碰撞引起的压力展宽，原子无 规则热运动引起的多普勒展宽[21]。展宽作用的存在，会使得原子系综吸收除共振频率处光子

之外其他频率的光子，光子频率与系综的吸收率成一定函数关系。

自然展宽和压力展宽，引起的光学吸收线型可以用洛伦兹曲线描述，相应的光学吸收截 面也会与洛伦兹曲线成函数关系。此时，原子对光子的吸收率取决于气室中气体压强的大小， 压强越大，需要的激光强度就越强。

在气室中，原子不停地做无规则热运动，相对于入射光子会产生多普勒频移，造成展宽。 多普勒展宽引起的光吸收率可用高斯线型进行描述。

表 2。1 碱金属自然线宽同多普勒线宽的比较

碱金属同位素 39K(MHz) 41K(MHz)

Γnat 5。94 5。94

ΓG 273K 737 719

373K 862 841

473K 971 947

原子对光子的频率响应依赖于上述三个因素：自然线宽、压力展宽以及多普勒展宽。洛 伦兹线型可以描述由自然线宽、压力展宽引起的光学吸收，高斯线型可以描述多普勒展宽引 起的光学吸收，以上两个线型可以用统一的福格特线型来描述。由表 2。1 可以看出，不存在压 力展宽的情况下，多普勒频移引起的展宽要明显大于自然线宽，此时福格特线型接近高斯线 型；如果存在较大的压力展宽，福格特线型更接近洛伦兹线型，三种线型的对比如图 2。3 所

示。在实验中，由于气室中需要有较高的气压来抑制自旋弛豫（详见 2。6 节），因此一般使用 洛伦兹线型来计算原子系综对光子的吸收率。

图 2。3 光学吸收线型对比

接下来讨论原子系综的极化率。磁强计的信号强度正比于碱金属原子蒸气的极化程度，

要提高观测信号强度就需要很高的极化率。自然状态下，原子系综的热极化由下式给出，



式中 g 2 为电子 g 因子， 9。2741024 J/T为玻尔磁子，可见上式给出的热极化率非常 小。例如，在室温条件中，地磁场环境下热极化率仅为1107 ，当磁场非常大（~10T）时， 也仅为 0。02 。要达到非常高的极化率（ P ~1 ），可以采用光抽运的方法[22]。

简单起见，本文的分析忽略核自旋的影响，并仅考虑电子自旋的光抽运。D1 线光抽运示 意如图 2。4 所示，定义光线穿过气室的方向为 z 方向。使用与 D1 线共振的左旋圆偏光（） 来抽运原子，光子在光线传播方向具有相同的自旋投影 1 ，以 为单位。处在基态能级

mJ    1/ 2 的原子可以吸收光子并转化为自身的能量，跃迁到激发态 P1/2  的超精细能级

mJ 1 / 2上，而在基态能级 mJ 1/ 2 的原子由于选择定则不能吸收光子发生跃迁。如果不 存在弛豫机制，那么基态能级的 mJ 1/ 2 态将保持原来的状态，并且随着高能级的衰变以及 淬灭作用，原子布居数将增大。混合碰撞

弛豫 2S1/2