图3.6-2
然而，跃迁到52P1/2上的原子在经过大约10-8秒以后，将自发地跃回基态52S1/2，在向下跃迁时，发出的光子可以有各种角动量（
、
和
光），选择定则为
，
和
，故基态各子能级以几乎相等的几率接受到这些返回的粒子，
=2子能级也不例外。由于落在基态=2上的粒子不能向上跃迁过程，这样每次吸收——自发辐射的循环，基态=2能级上的粒子数就会多一些，当继续用光照射原子，经过若干循环之后，大量粒子被“抽运”到
的子能级上，破坏了原来有的平衡分布，这时我们说样品的原子系统发生了“偏极化”（Polarization）。造成铷原子基态能级偏极化以后，将定子能级上有大量原子，其它能级原子数则很少，这就是光抽运效应，如图26-2所示。图中（a）表明87Rb基态粒子吸收
的受激跃迁，的粒子跃迁几率为零。(b) 表明87Rb激发态粒子无辐射跃迁，以相等的几率回到基态所有子能级。
同理，如果用
的光照射，原子将聚集在
子能级上。
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”。显然，用光不可能产生光抽运效应。
三、弛豫过和
光抽运引起原子系统偏极化，使系统处非平衡分布状态，在没有外加因素干扰时，这个系统将趋于热平衡分布，此过程称为弛豫过程。它反映原子之间以及原子与其他物质之间的相互作用。在实验的过程中要保持原子有较大偏极化程度，就要尽量减少返回玻尔兹曼分布的趋势。但铷原子与容器壁的碰撞以及铷原子之间的碰撞都导致铷原子恢复到热平衡分布，失去光抽运所造成的偏极化。为了减少弛豫作用的影响，需要在铷样品泡中充适量的惰性气体，并合理控制其温度，以保持原子有较大的偏极程度。
四、塞曼子能级之间的磁共振和光探测
在热平衡时，原子在超精细能级及其塞曼子能级之间基本是等几率分布的。这时即使有一个方向及频率都适于在子能级间激发磁共振的射频场存在，也会因向上与向下跃迁的粒子数相同而无法形成输出信号。在因光抽运出现“偏极化”以后，特定的子能级上有大量原子，其他能极基本空着，这时再有合适的条件，就会激发很强的磁共振。由磁共振理论可知（请参阅核磁共振实验），共振条件为
（26.7）
即 
(26.8)
可见,若共振频率
和外磁场
可以测出，则能算出
；若已知和，则可推算出。
需要指出，在激发磁共振时一直保持有抽运不光照射，这就使得可以用“是否吸收抽运光”来判断磁共振是否发生，即可用光探测方法来收集信息。下面详细分析铷原子在什么情况下会吸收入射的抽运光。
起初，按波尔兹曼分布，基态各塞曼子能级上铷原子数目基本相同。D1σ+光开始照射时，mF=2以外各能级上有许多原子能被激发，因而对D1σ+抽运光有强烈吸收，透过的光强就很低。随着原子被抽运到mF=2的能级，其他能级上能北极法的原子数不断减少，对抽运光的吸收便不断降低，透射光强便不断增大。当抽运与弛豫两种过程达到动态平衡时，透射光就达到并保持最大值。透射光强的这种变化是由抽运作用是否发生及程度如何所决定的，因而这就是“抽运信号”。
在原子因光抽运而偏极化以后，加上合适的射频场就会激发塞曼子能级间的磁共振。大量的原子从的能级跃迁到
的能级，以后又何以跳到
，-1，-2等能级。这就是说，一旦出现磁共振，
的各能级又会有许多原子，在光照射下，它们必然受激发而被抽运。随着它们被激发就出现对于入射光的吸收。可见这一次对抽运光的吸收取决于磁共振是否发生及其程度，这就是“共振信号”。
由以上分析可知：作用在样品上的D1光的一方面是起抽运作用，另一方面透过样品的D1光又可兼作探测光，即一束光起了抽运与探测两个作用。对磁共振信号进行光探测是很有意义的，因为塞曼子能级的磁共振跃迁信号很微弱，特别是对于密度非常低的气体样品的信号就更加微弱，直接观测很困难。而光探测技术利用磁共振时伴随着D1光强的变化，便巧妙地将一个频率低的射频量子（1~10MHZ）的变化转换成一个频率高的光频量子（~108MHZ）的变化。从而使观察的信号功率提高7~8个数级，故气体样品的微弱共振信号的观测就可用很简便的方法来实现。
【实验装置】
本实验的装置如图3.6-3所示。其中主体单元由三部分组成：
抽运光源、吸收室区和光电探测器。
图3.6-3
光源包含铷光谱灯、干涉滤光片、偏振片、1/4波片、透镜等。铷光谱灯放在光，即照射吸收泡的光，由它对铷原子系统进行光抽运。
吸收室区包含吸收池和两组亥姆霍兹线圈。吸收池处于亥姆霍兹线圈中央，内部是一个温度可调的恒温槽，槽内有一个充有天然铷和惰性缓冲气体的吸收泡。恒温槽一般保温在。垂直磁场则用于抵消地磁场的垂直分量，使得仅在仪器光轴方向上存在磁场。与水平线圈绕在一起的还有一对扫场线圈，用于在水平方向提供一个扫描磁场。
光电探测器内装有光电池和前置放大器。由铷原子吸收泡透过的光经透镜汇聚到硅光电池上，由它将接收到的变化的透射光强转换成电信号，放大滤波后到示波器显示。若配用高灵敏的示波器，信号可不经放大而直接输入示波器。
【实验内容】
一、调整仪器
在装置通电之前，先应进行主体单元光路的机械调整（见仪器说明书）。再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置。检查各联线是否正确，将“垂直”、“水平”、“池温”、“幅度”旋钮调至最小，断开吸收池加温电流，“工作监视”置于“灯温”。然后接通电源，按下“预热”按键，监视“灯温”约
二、观察光抽运信号
图3.６－４
将方波加到扫场线圈上，产生1～2×10-4T磁场。在刚加上磁场瞬间，各塞曼子能级上的粒子数相等，样品对D1光吸收最强。随着粒子被抽运到
子能级上，样品对D1光的吸收减小，透射光也逐渐增强。当能级上的粒子达到饱和，则透射光达最大值。当磁场降到零后并反向，塞曼能级则由分裂到简并到再分裂。由于原子碰撞，当能级简并时原子已退偏极化，所以