mJ  = -1/2 mJ  = +1/2

图 2。4 D1 线光抽运过程

碱金属气室中除碱金属原子蒸气，还包含了其他的气体。这些气体的存在影响了抽运过 程，比如在气室中会充有化学惰性缓冲气体（通常为 He 或 Xe），用来阻止碱金属原子与泡壁 碰撞，来减小泡壁碰撞弛豫。气室中的原子会与缓冲气体（He）发生碰撞，进而导致原子去 极化。处在激发态的原子，其轨道角动量会与 p 壳层的电子相互耦合，并且会和碰撞过程中 临时组成的分子相互作用，导致其散射截面要明显大于基态原子。所以在剧烈的混合碰撞中，

激发态子能级之间的粒子布居数会平均分布，即在 2P  能级上， m  1/ 2 的子能级与

mJ 1/ 2 的子能级粒子数基本一致。 原子通过发射一个随机极化方向的光子进行自发衰变，这个处在共振频率的光子可能会

被其他处在 2S 态 m  1/ 2 子能级上的原子重新吸收，使得原子去极化。当碱金属蒸气密度

非常高的时候，去极化作用就变得非常明显，这个现象称为辐射捕获，对无规则光子的吸收 限制了碱金属原子的极化率。为了抑制自发衰变引起的弛豫，可以向气室中充入一种双原子 分子气体，通常称之为“淬灭气体”，实验中经常使用的是 N2。当激发态原子与 N2 碰撞的时 候，原子会将过多的能量转化为 N2 的转动和振动而不发射光子。当气室中充有缓冲气体（He） 和淬灭气体（N2）的时候，由于剧烈的碰撞作用，会使塞曼子能级之间会建立动态平衡。当 原子衰变到基态 mJ 1/ 2 时，将会一直停留在这个状态，而当原子衰变到 mJ 1/ 2 时，将 会重新吸收一个光子被抽运到 2P  能级。如果不考虑弛豫机制，那么最终所有的原子都将停论文网

留在 2S  态的 m  1/ 2 子能级上，这样就将碱金属原子完全极化，极化方向沿着 z 轴（量子

化轴）。同样的，如果用右旋圆偏振光（  ）将会把原子抽运到 m    1/ 2 子能级上，实现原子的极化。

以上是 D1 线抽运的具体过程，由于 D2 线的抽运过程较为复杂，并且在相同的抽运条件 下，自旋极化率仅有 D1 线的1/ 2 ，抽运效率较低，本文将不再展开论述。本小节简要说明了气室中碱金属原子在抽运光作用下，实现原子极化的过程。抽运过程 中的弛豫机制将在 2。6 节中说明。

2。5 检测自旋极化的方法

光泵磁强计对于磁场的响应反映在自旋进动方向上，因此需要检测自旋进动的偏转来实 现对磁场的测量。测量自旋进动有很多种方法，本文主要就光偏转法作简要分析。如图 2。5 所 示，入射光使用线偏振光，并使其偏离原子共振频率，沿 x 方向传播。线偏振光可以分解为左 旋和右旋圆偏振光，两种圆偏振光在经过气室时，对应的折射率不同，会使线偏光产生偏转

表示原子自旋角动量在 x 轴投影分量的平均值）。通过对比入射光和出射光

的偏振方向，就可以得到原子自旋沿着光传播方向的投影大小。尽管这种方法主要是对电子 自旋的 x 投影分量敏感，但是考虑到电子自旋与原子自旋是相互平行的，因此检测其中一个 自旋就可以确定另外一个自旋方向。

图 2。5 光偏转原理

要增大磁强计的灵敏度，就需要检测很小的角度，具体的检测方法有很多，本文主要分 析常用的两种方法。