實驗原理
光磁共振是根據角動量守恒原理，用光學抽運方法來研究原子超精細結構塞曼子能級間磁共振現象的雙共振技術。由于應用了光探測方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的優點，同 時又將測量靈敏度提高了幾個數量級。它對原子、分子等內部的微觀結構的研究，在量子頻標、弱磁場的精確測量等方面都有很大的應用價值。

一、銣原子的超精細結構及其塞曼分裂
銣是一價堿金屬原子、天然銣中含有兩種同位素： Rb87和Rb85。根據LS耦合產生精細結構，它們的基態是52S1/2，最低激發態是52P1/2和52P3/2的雙重態。對Rb87,52P1/2--52S1/2躍遷為D1線（入＝7948Å），52P3/2—52S1/2為D2線 (入=7200Å）。

銣原子具有核自旋I，相應的核自旋角動量為PI，核磁矩為μI。在弱磁場中要考慮核自旋角動量的耦合，即PI和PJ耦合成總角動量PF，F為總量子數：F=I＋J．…，|I-J|。對Rb87，I=3/2，因此Rb87的基態有兩個值：F=2和F=1。對Rb85,I=5/2，因此Rb85的基態有F＝3和F＝2。由量子數F 標定的能級稱為超精細結構能級。原子總角動量PF與總磁矩μF之間的關系為：μF=-gF(e/2mc)PF

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

在磁場H中，原子的超精細能級產生塞曼分裂。對某一F值，磁量子數MF=F，..,-F,即分裂為2F+1個能量間距相等（ΔE＝gFμBH，μB為玻爾磁子）的塞曼子能級（見圖1）。
在熱平衡條件下，原子在各能級的布居數遵循玻爾茲曼分布(N=N0e-E/hT),由于基態 各塞曼子能級的能量差極小，故可認為原子均衡地布居在基態各子能級上。

1．圓偏振光對銣原子的激發與光抽運效應
對塞曼效應原子能級躍遷，MF通常的選擇定則是ΔMF=0,±1,但如用具有角動量的偏振光與原子相互作用，根據角動量守恒原理，原子吸收光子能量的同時，也吸收了它的角動量。對左旋圓偏振σ+的光子與原子相互作用，因它具有一個角動量+h,原子吸收了它就增加了一個角動量+h值，則只有ΔMF=+1的躍遷。
Rb87的52S1/2—52P1/2態MF的最大值都是+2，當入射光為σ+時，由于只能產生ΔMF=+1的躍遷，所以基態52S1/2中MF＝+2子能級的粒子躍遷概率為0，而粒子從52P1/2返回52S1/2的過程，由于是自發躍遷，按選擇定則ΔMF=0布居，從而使得MF=+2粒子數增加（見圖 2）。 這樣經過若干循環后，基態MF＝+2子能級上粒子布居數大大增加，即MF≠+2的較低子能級上的大量粒子被“抽運”到MF＝+2上，造成粒子數反轉，這就是光抽廚房油煙檢測運效應（亦稱光泵）。光抽運造成粒子非平衡分布，Rb原子對光的吸收減弱,直至飽和不吸收。同時，每一MF表示粒子在磁場中的一種取向，光抽運的結果使得所有原子由各個方向的均勻取向變成只有MF＝+2的取向，即樣品獲得凈磁化，這叫做“偏極化”。外加恒磁場下的光抽運就是要造成偏極化。σ-光有同樣作用，它將大量粒子抽運到MF＝-2子能級上。當為π光時， 由于ΔMF=0，則無光抽運效應，此時Rb原子對光有強的吸收。

2．弛豫過程
原子系統由非熱平衡的偏極化狀態趨向于熱平衡分布狀態的過程稱氣體為弛豫過程。它主要是由于銣原子與容器壁碰撞，以及原子之間的碰撞使系統返回到熱平衡的玻爾茲曼分布。 系統的偏極化程度取決于光抽運和弛豫過程相互競爭的結果。為使偏極化程度高，可采用加大光強以提高光抽運效率，選擇合適的溫度以合理控制原子密度，充適量的惰性氣體（抗磁氣體）以減少弛豫過程的影響。

3．射頻誘導躍遷--光磁共振
光抽運造成偏極化，光吸收停止。這時若加一頻率為ν1的右旋圓偏振射頻場H1，并使hν1等于相鄰塞曼子能級差:
hν1＝ΔE＝gFμBH （3）
則塞曼子能級之間將產生磁共振，使得被抽運到MF＝+2能級的粒子產生感應誘導躍遷，從MF＝+2依次 跳到MF=＋1，0，-1，-2等子能級，結果使粒子趨于原來的均衡分布而 破壞了偏極化。同時由于抽運光的存在， 光抽運過程也隨之出現。這樣，感應躍遷與光抽運 這兩個相反的過程將達到一個新的動態平衡。
產生磁共振時除能量守恒外還需角動量守恒。頻率為ν1的射頻場是加在垂直于恒定水平磁場方向的線偏振場， 此線偏振場可分解為一右旋和一左旋圓偏振場，為滿足角動量守恒，只是與原于磁矩作拉摩爾旋進同向的那個 圓偏振場起作用。例如當用σ+光照射時， 起作用的是角動量為-h的右旋圓偏振射頻場。

4．光探測
射到樣品上的D1σ+光一方面起光抽運的作用，另一方面透過樣品的光兼作探測光，即一束光起了抽運與探測兩個作用。
由于磁共振使Rb對D1σ+光吸收發生變化，吸收強時到達探測器的光弱，因此通過測D1σ+透射光強的變化即可得到磁共振信號，從而實現磁共振的光探測。
磁共振的躍遷信號是很微弱的，特別是對于密度非常低的氣體樣品的信號就更加微弱， 由于探測功率正比于頻率，直接觀測是很困難的。利用磁共振觸發光抽運，導致了探測光強的變化，便是巧妙地將 一個低頻（射頻，約1MHz ）量子的變化轉換成一個高頻（光頻，約108MHz）量子的變化，這就使觀測信號的功率及靈敏度提高了約8個數量級。光磁共振是根據角動量守恒原理，用光學抽運方法來研究原子超精細結構塞曼子能級間磁共振現象的雙共振技術。由于應用了光探測方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的優點，同 時又將測量靈敏度提高了幾個數量級。它對原子、分子等內部的微觀結構的研究，在量子頻標、弱磁場的精確測量等方面都有很大的應用價值。

一、銣原子的超精細結構及其塞曼分裂
銣是一價堿金屬原子、天然銣中含有兩種同位素： Rb87和Rb85。根據LS耦合產生精細結構，它們的基態是52S1/2，最低激發態是52P1/2和52P3/2的雙重態。對Rb87,52P1/2--52S1/2躍遷為D1線（入＝7948Å），52P3/2—52S1/2為D2線 (入=7200Å）。

銣原子具有核自旋I，相應的核自旋角動量為PI，核磁矩為μI。在弱磁場中要考慮核自旋角動量的耦合，即PI和PJ耦合成總角動量PF，F為總量子數：F=I＋J．…，|I-J|。對Rb87，I=3/2，因此Rb87的基態有兩個值：F=2和F=1。對Rb85,I=5/2，因此Rb85的基態有F＝3和F＝2。由量子數F 標定的能級稱為超精細結構能級。原子總角動量PF與總磁矩μF之間的關系為：μF=-gF(e/2mc)PF

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

在磁場H中，原子的超精細能級產生塞曼分裂。對某一F值，磁量子數MF=F，..,-F,即分裂為2F+1個能量間距相等（ΔE＝gFμBH，μB為玻爾磁子）的塞曼子能級（見圖1）。
在熱平衡條件下，原子在各能級的布居數遵循玻爾茲曼分布(N=N0e-E/hT),由于基態 各塞曼子能級的能量差極小，故可認為原子均衡地布居在基態各子能級上。

1．圓偏振光對銣原子的激發與光抽運效應
對塞曼效應原子能級躍遷，MF通常的選擇定則是ΔMF=0,±1,但如用具有角動量的偏振光與原子相互作用，根據角動量守恒原理，原子吸收光子能量的同時，也吸收了它的角動量。對左旋圓偏振σ+的光子與原子相互作用，因它具有一個角動量+h,原子吸收了它就增加了一個角動量+h值，則只有ΔMF=+1的躍遷。
Rb87的52S1/2—52P1/2態MF的最大值都是+2，當入射光為σ+時，由于只能產生ΔMF=+1的躍遷，所以基態52S1/2中MF＝+2子能級的粒子躍遷概率為0，而粒子從52P1/2返回52S1/2的過程，由于是自發躍遷，按選擇定則ΔMF=0布居，從而使得MF=+2粒子數增加（見圖 2）。 這樣經過若干循環后，基態MF＝+2子能級上粒子布居數大大增加，即MF≠+2的較低子能級上的大量粒子被“抽運”到MF＝+2上，造成粒子數反轉，這就是光抽運效應（亦稱光泵）。光抽運造成粒子非平衡分布，Rb原子對光的吸收減弱,直至飽和不吸收。同時，每一MF表示粒子在磁場中的一種取向，光抽運的結果使得所有原子由各個方向的均勻取向變成只有MF＝+2的取向，即樣品獲得凈磁化，這叫做“偏極化”。外加恒磁場下的光抽運就是要造成偏極化。σ-光有同樣作用，它將大量粒子抽運到MF＝-2子能級上。當為π光時， 由于ΔMF=0，則無光抽運效應，此時Rb原子對光有強的吸收。

2．弛豫過程
原子系統由非熱平衡的偏極化狀態趨向于熱平衡分布狀態的過程稱為弛豫過程。它主要是由于銣原子與容器壁碰撞，以及原子之間的碰撞使系統返回到熱平衡的玻爾茲曼分布。 系統的偏極化程度取決于光抽運和弛豫過程相互競爭的結果。為使偏極化程度高，可采用加大光強以提高光抽運效率，選擇合適的溫度以合理控制原子密度，充適量的惰性氣體（抗磁氣體）以減少弛豫過程的影響。

3．射頻誘導躍遷--光磁共振
光抽運造成偏極化，光吸收停止。這時若加一頻率為ν1的右旋圓偏振射頻場H1，并使hν1等于相鄰塞曼子能級差:
hν1＝ΔE＝gFμBH （3）
則塞曼子能級之間將產生磁共振，使得被抽運到MF＝+2能級的粒子產生感應誘導躍遷，從MF＝+2依次 跳到MF=＋1，0，-1，-2等子能級，結果使粒子趨于原來的均衡分布而 破壞了偏極化。同時由于抽運光的存在， 光抽運過程也隨之出現。這樣，感應躍遷與光抽運 這兩個相反的過程將達到一個新的動態平衡。
產生磁共振時除能量守恒外還需角動量守恒。頻率為ν1的射頻場是加在垂直于恒定水平磁場方向的線偏振場， 此線偏振場可分解為一右旋和一左旋圓偏振場，為滿足角動量守恒，只是與原于磁矩作拉摩爾旋進同向的那個 圓偏振場起作用。例如當用σ+光照射時， 起作用的是角動量為-h的右旋圓偏振射頻場。

4．光探測
射到樣品上的D1σ+光一方面起光抽運的作用，另一方面透過樣品的光兼作探測光，即一束光起了抽運與探測兩個作用。