什么是磁气体

实验原理
光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运方法来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同 时又将测量灵敏度提高了几个数量级。它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很大的应用价值。

一、铷原子的超精细结构及其塞曼分裂
铷是一价碱金属原子、天然铷中含有两种同位素： Rb87和Rb85。根据LS耦合产生精细结构，它们的基态是52S1/2，最低激发态是52P1/2和52P3/2的双重态。对Rb87,52P1/2--52S1/2跃迁为D1线（入＝7948Å），52P3/2—52S1/2为D2线 (入=7200Å）。

铷原子具有核自旋I，相应的核自旋角动量为PI，核磁矩为μI。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即PI和PJ耦合成总角动量PF，F为总量子数：F=I＋J．…，|I-J|。对Rb87，I=3/2，因此Rb87的基态有两个值：F=2和F=1。对Rb85,I=5/2，因此Rb85的基态有F＝3和F＝2。由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量PF与总磁矩μF之间的关系为：μF=-gF(e/2mc)PF

gF=gJ(F(F+1)+J(J+1)-I(I+1)/2F(F+1))

在磁场H中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某一F值，磁量子数MF=F，..,-F,即分裂为2F+1个能量间距相等（ΔE＝gFμBH，μB为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图1）。
在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布(N=N0e-E/hT),由于基态 各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。

1．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
对塞曼效应原子能级跃迁，MF通常的选择定则是ΔMF=0,±1,但如用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量。对左旋圆偏振σ+的光子与原子相互作用，因它具有一个角动量+h,原子吸收了它就增加了一个角动量+h值，则只有ΔMF=+1的跃迁。
Rb87的52S1/2—52P1/2态MF的最大值都是+2，当入射光为σ+时，由于只能产生ΔMF=+1的跃迁，所以基态52S1/2中MF＝+2子能级的粒子跃迁概率为0，而粒子从52P1/2返回52S1/2的过程，由于是自发跃迁，按选择定则ΔMF=0布居，从而使得MF=+2粒子数增加（见图 2）。 这样经过若干循环后，基态MF＝+2子能级上粒子布居数大大增加，即MF≠+2的较低子能级上的大量粒子被“抽运”到MF＝+2上，造成粒子数反转，这就是光抽厨房油烟检测运效应（亦称光泵）。光抽运造成粒子非平衡分布，Rb原子对光的吸收减弱,直至饱和不吸收。同时，每一MF表示粒子在磁场中的一种取向，光抽运的结果使得所有原子由各个方向的均匀取向变成只有MF＝+2的取向，即样品获得净磁化，这叫做“偏极化”。外加恒磁场下的光抽运就是要造成偏极化。σ-光有同样作用，它将大量粒子抽运到MF＝-2子能级上。当为π光时， 由于ΔMF=0，则无光抽运效应，此时Rb原子对光有强的吸收。

2．弛豫过程
原子系统由非热平衡的偏极化状态趋向于热平衡分布状态的过程称气体为弛豫过程。它主要是由于铷原子与容器壁碰撞，以及原子之间的碰撞使系统返回到热平衡的玻尔兹曼分布。 系统的偏极化程度取决于光抽运和弛豫过程相互竞争的结果。为使偏极化程度高，可采用加大光强以提高光抽运效率，选择合适的温度以合理控制原子密度，充适量的惰性气体（抗磁气体）以减少弛豫过程的影响。

3．射频诱导跃迁--光磁共振
光抽运造成偏极化，光吸收停止。这时若加一频率为ν1的右旋圆偏振射频场H1，并使hν1等于相邻塞曼子能级差:
hν1＝ΔE＝gFμBH （3）
则塞曼子能级之间将产生磁共振，使得被抽运到MF＝+2能级的粒子产生感应诱导跃迁，从MF＝+2依次 跳到MF=＋1，0，-1，-2等子能级，结果使粒子趋于原来的均衡分布而 破坏了偏极化。同时由于抽运光的存在， 光抽运过程也随之出现。这样，感应跃迁与光抽运 这两个相反的过程将达到一个新的动态平衡。
产生磁共振时除能量守恒外还需角动量守恒。频率为ν1的射频场是加在垂直于恒定水平磁场方向的线偏振场， 此线偏振场可分解为一右旋和一左旋圆偏振场，为满足角动量守恒，只是与原于磁矩作拉摩尔旋进同向的那个 圆偏振场起作用。例如当用σ+光照射时， 起作用的是角动量为-h的右旋圆偏振射频场。

4．光探测
射到样品上的D1σ+光一方面起光抽运的作用，另一方面透过样品的光兼作探测光，即一束光起了抽运与探测两个作用。
由于磁共振使Rb对D1σ+光吸收发生变化，吸收强时到达探测器的光弱，因此通过测D1σ+透射光强的变化即可得到磁共振信号，从而实现磁共振的光探测。
磁共振的跃迁信号是很微弱的，特别是对于密度非常低的气体样品的信号就更加微弱， 由于探测功率正比于频率，直接观测是很困难的。利用磁共振触发光抽运，导致了探测光强的变化，便是巧妙地将 一个低频（射频，约1MHz ）量子的变化转换成一个高频（光频，约108MHz）量子的变化，这就使观测信号的功率及灵敏度提高了约8个数量级。光磁共振是根据角动量守恒原理，用光学抽运方法来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同 时又将测量灵敏度提高了几个数量级。它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很大的应用价值。

一、铷原子的超精细结构及其塞曼分裂
铷是一价碱金属原子、天然铷中含有两种同位素： Rb87和Rb85。根据LS耦合产生精细结构，它们的基态是52S1/2，最低激发态是52P1/2和52P3/2的双重态。对Rb87,52P1/2--52S1/2跃迁为D1线（入＝7948Å），52P3/2—52S1/2为D2线 (入=7200Å）。

铷原子具有核自旋I，相应的核自旋角动量为PI，核磁矩为μI。在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即PI和PJ耦合成总角动量PF，F为总量子数：F=I＋J．…，|I-J|。对Rb87，I=3/2，因此Rb87的基态有两个值：F=2和F=1。对Rb85,I=5/2，因此Rb85的基态有F＝3和F＝2。由量子数F 标定的能级称为超精细结构能级。原子总角动量PF与总磁矩μF之间的关系为：μF=-gF(e/2mc)PF

gF=gJ(F(F+1)+J(J+1)-I(I+1)/2F(F+1))

在磁场H中，原子的超精细能级产生塞曼分裂。对某一F值，磁量子数MF=F，..,-F,即分裂为2F+1个能量间距相等（ΔE＝gFμBH，μB为玻尔磁子）的塞曼子能级（见图1）。
在热平衡条件下，原子在各能级的布居数遵循玻尔兹曼分布(N=N0e-E/hT),由于基态 各塞曼子能级的能量差极小，故可认为原子均衡地布居在基态各子能级上。

1．圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
对塞曼效应原子能级跃迁，MF通常的选择定则是ΔMF=0,±1,但如用具有角动量的偏振光与原子相互作用，根据角动量守恒原理，原子吸收光子能量的同时，也吸收了它的角动量。对左旋圆偏振σ+的光子与原子相互作用，因它具有一个角动量+h,原子吸收了它就增加了一个角动量+h值，则只有ΔMF=+1的跃迁。
Rb87的52S1/2—52P1/2态MF的最大值都是+2，当入射光为σ+时，由于只能产生ΔMF=+1的跃迁，所以基态52S1/2中MF＝+2子能级的粒子跃迁概率为0，而粒子从52P1/2返回52S1/2的过程，由于是自发跃迁，按选择定则ΔMF=0布居，从而使得MF=+2粒子数增加（见图 2）。 这样经过若干循环后，基态MF＝+2子能级上粒子布居数大大增加，即MF≠+2的较低子能级上的大量粒子被“抽运”到MF＝+2上，造成粒子数反转，这就是光抽运效应（亦称光泵）。光抽运造成粒子非平衡分布，Rb原子对光的吸收减弱,直至饱和不吸收。同时，每一MF表示粒子在磁场中的一种取向，光抽运的结果使得所有原子由各个方向的均匀取向变成只有MF＝+2的取向，即样品获得净磁化，这叫做“偏极化”。外加恒磁场下的光抽运就是要造成偏极化。σ-光有同样作用，它将大量粒子抽运到MF＝-2子能级上。当为π光时， 由于ΔMF=0，则无光抽运效应，此时Rb原子对光有强的吸收。

2．弛豫过程
原子系统由非热平衡的偏极化状态趋向于热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。它主要是由于铷原子与容器壁碰撞，以及原子之间的碰撞使系统返回到热平衡的玻尔兹曼分布。 系统的偏极化程度取决于光抽运和弛豫过程相互竞争的结果。为使偏极化程度高，可采用加大光强以提高光抽运效率，选择合适的温度以合理控制原子密度，充适量的惰性气体（抗磁气体）以减少弛豫过程的影响。

3．射频诱导跃迁--光磁共振
光抽运造成偏极化，光吸收停止。这时若加一频率为ν1的右旋圆偏振射频场H1，并使hν1等于相邻塞曼子能级差:
hν1＝ΔE＝gFμBH （3）
则塞曼子能级之间将产生磁共振，使得被抽运到MF＝+2能级的粒子产生感应诱导跃迁，从MF＝+2依次 跳到MF=＋1，0，-1，-2等子能级，结果使粒子趋于原来的均衡分布而 破坏了偏极化。同时由于抽运光的存在， 光抽运过程也随之出现。这样，感应跃迁与光抽运 这两个相反的过程将达到一个新的动态平衡。
产生磁共振时除能量守恒外还需角动量守恒。频率为ν1的射频场是加在垂直于恒定水平磁场方向的线偏振场， 此线偏振场可分解为一右旋和一左旋圆偏振场，为满足角动量守恒，只是与原于磁矩作拉摩尔旋进同向的那个 圆偏振场起作用。例如当用σ+光照射时， 起作用的是角动量为-h的右旋圆偏振射频场。

4．光探测
射到样品上的D1σ+光一方面起光抽运的作用，另一方面透过样品的光兼作探测光，即一束光起了抽运与探测两个作用。