通常，判断磁强计性能的主要参数为灵敏度。从基本原理上讲，磁强计实际上测量的是

原子能级在磁场中由于分裂产生的子能级的宽度。能级光谱的线宽由相干时间 T2  决定

可以看到，磁强计能达到的最大灵敏度受制于最大的相干时间 T2 。影响相干时间的因素 有很多，例如碱金属原子之间的碰撞、以及与其他气体之间的碰撞和与泡壁的碰撞等。接下 来，本文将分别讲解这几种作用。

2。3 原子能级

碱金属只有一个价电子，因此操控相对简单，在考虑原子自旋时可以忽略满壳层的电子， 近似的只考虑价电子和原子核。光泵磁强计利用激光实现原子在基态能级和激发态能级的跃 迁来实现原子的极化，从而实现磁场测量。

价电子自旋 S 1/ 2 ，基态能级为 s 壳层，轨道角动量 L 0 ，因此总角动量 J L S 1/ 2 。

第 一 激 发 态 的 能 级 p 壳 层 轨 道 角 动 量 L 1 ， 相 应 的 精 细 能 级 分 裂 为 2 P

，这可以理解为是自旋角动量与轨道角动量平行和反向平行造成的。本文采用

标准光谱学记法，上标表示自旋多重态 2S 1，下标表示总角动量，例如，基态能级可表示为

S1/2 ，分别称在基态能级

S1/2 和激发态能级

2P  、2P  之间的跃迁为 D1 线和 D2 线，如图 2。2

所示。

所有的碱金属同位素有非零核自旋 I ，因此原子内核自旋与核外电子自旋之间的超精细 相互作用会导致能级的进一步分裂，此时总的原子自旋 F I J 。根据维格纳-埃卡特定理， 电子角动量矢量 J 必须平行于总的原子角动量矢量 F ，因此测量电子自旋矢量就等价于测量

总的原子自旋矢量，反之亦然。2S 和 2P  能级在超精细相互作用下分裂为 F I 1/ 2 ，这可

1/2 1/ 2

以理解为电子自旋平行于核自旋时有 F I 1/ 2 ，反向平行时 F I 1/ 2 。同理，2P  分裂成

F  I  3 / 2, I 1/ 2, I 1/ 2, I  3 / 2 。碱金属原子精细能级和超精细能级的结构如图 2。2 所示。

轨道壳层 精细结构 超精细结构

F = I + 1/2

F = I - 1/2

图 2。2 碱金属原子基态与激发态能级结构

当原子处在磁场中时，会与磁场相互作用，使得能级进一步分裂为塞曼子能级，此时有

投影角动量 mf，塞曼子能级分裂的大小取决于磁场强度。同时，磁

场也会引起原子自旋的拉莫尔进动，进动频率由 L  EL /

给出，其中 是原子自旋的

旋磁比。

2。4 光抽运过程

光泵磁强计需要采用近共振频率的光子与碱金属原子相互作用实现自旋取向。由于现代 激光器线宽可以做到远小于 D1 线和 D2 线线宽，因此可以将激光看作是单色光。原子系综对 入射光子的吸收率与光子的频率和光强有关，光抽运率定义为抽运光光通量与未极化原子截 面的卷积[20]

将抽运光看做单色光时，上式可以近似为

为光子单位时间内入射到单位面积原子的总光通量，re 为经典原子半径， f 为振子强度，

是光谱学中用来表征原子或分子在跃迁中吸收或发射电子辐射吸收的几率，