---
title: "光泵原子磁力计互动实验｜Sandbox Physics"
description: "怎样用光读出原子进动，又不把光强漂移认成磁场？磁场决定原子的进动频率，弱探测光把这段运动变成偏振变化。"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/labs/optically-pumped-magnetometer/"
language: "zh-CN"
page_type: "lab"
alternate_languages:
  en: "https://sandboxphysics.com/labs/optically-pumped-magnetometer/"
last_modified: "2026-11-12"
---

IN34 · 读出自旋节奏

# 光泵原子磁力计

**怎样用光读出原子进动，又不把光强漂移认成磁场？** 磁场决定原子的进动频率，弱探测光把这段运动变成偏振变化。两个光学通道配合独立光强监视器，可以消除共同的探测光漂移。泵浦功率若变了，原子本身的响应也会变，需要另查。

用RF磁场驱动已极化的铯原子，扫过磁共振。比较两个光学计数通道、探测光漂移，以及单独的静态弱场响应。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型假设

采用双光束铯基态取向与各向同性Bloch弛豫的合成模型。Mx分支使用旋波近似，线性RF场的同向旋转分量取峰值一半；静态分支直接解关闭RF后的方程。速率、光通量、光学增益及几何均为教学假设。弱探测光不扰动原子，旋光与自旋投影成正比；六十光子以下用泊松计数，以上用正态近似。先平均门内旋光，再送入非线性分析器。推断需要已知频标、暗计数和已知旋光标准，且泵浦稳定、几何有效、共振已分辨；静态场推断还依赖已知弛豫和所列单调分支。不模拟SERF、自旋交换碰撞、超精细混合、光频移、场梯度、温度、矢量重建或厂商灵敏度。装置按示意毫米绘制；自旋箭头、光子与进动速度经过放大或减速。

显示记录

### 模拟光子门给出的带符号响应

余弦通道 $X$ 负正弦通道 $Y$

$f/\mathrm{Hz}$ · $\varphi/\mathrm{mrad}$

### 最强响应处保留的探测计数

收集端A 收集端B

$t/\mathrm{ms}$ · 每门光子数

标准、空白与推断条件

CSV保留每个时间门、两个探测通道、探测光与泵浦监视器、带符号参考、频率或线圈回读、暗计数及三个已知分析器角度。拟合只读取这些观测。Mx拟合共同中心和吸收分量线宽，同时消去幅值与相位；静态推断依赖独立已知的泵浦与弛豫，并限制在单调分支内。

所选记录的前八个原始门

| 门 | $t_0/\mathrm{s}$ | A | B | 探测光监视 | 泵浦监视 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |

单列的合成理想参考

理想参考是JSON中单列的生成背景；原始CSV与全部推断均不读取它。

物理教程

## 用光读出自旋的节奏

**背景** 圆偏振泵浦光把铯原子的自旋推向同一方向。磁场让这份取向进动，横向RF磁场持续驱动它，弱探测光读出旋光。

**为什么值得理解** 探测器只数光子。要把明暗变化解释成磁场，先要分清原子运动和光源自身的漂移。

先抓重点

- **核心问题**: 怎样用光读出原子进动，又不把光强漂移认成磁场？
- **一句话直觉**: 探测光共同变亮时，双通道归一化可消去亮度；泵浦改变原子取向和弛豫，必须另查。

### 核心数学模型

#### 自旋取向的运动

$$
\dot{\mathbf P}=\mathbf P\times\gamma_F\mathbf B-\Gamma_0\mathbf P+R(\mathbf k_p-\mathbf P)
$$

第一项给出进动方向，第二项让取向衰减，第三项沿泵浦方向补充取向，同时增加总弛豫。速率与光学增益是已声明的教学参数。

#### 低场铯基态的频率标尺

$$
f_L=\frac{\gamma_F}{2\pi}|\mathbf B|,\qquad\frac{\gamma_F}{2\pi}=3.4986\,\mathrm{Hz/nT}
$$

选取铯的一个基态超精细流形。共振扫频找到中心后，已知旋磁比把频率换成磁场大小。

#### 沿用IN13的带符号双相约定

$$
X=\sqrt2\langle\varphi\cos\psi\rangle,\qquad Y=-\sqrt2\langle\varphi\sin\psi\rangle
$$

先用暗计数和独立旋光标准把两通道光子数换成旋光，再与保留的余弦、负正弦参考相乘。领先参考的余弦信号给出正的正交分量。

#### 静态弱场的独立分支

$$
P_x=-\frac{R\gamma_F B_y}{(\Gamma_0+R)^2+(\gamma_F B_y)^2}
$$

关闭RF，泵浦沿正向纵轴、待测场沿横向轴。响应在零场附近近似线性，过了转折点又会减小；推断只使用所列单调范围。

### 常见难点

#### 亮度归一化的范围

**容易误解** 归一化能消除所有激光功率变化。

**正确理解** 探测光亮度共同乘在两个输出上，可以约掉。泵浦功率改变自旋和线宽，需要独立监视。

#### 零场与旋波近似

**容易误解** 把共振频率调到零，就得到零场磁力计。

**正确理解** 旋波近似要求进动足够快。这里的零场响应来自关闭RF后的静态方程，没有使用旋波近似，也没有加入SERF碰撞机制。

### 动手实验

1. 01

   #### 拖动磁场旋钮

   按住金色偏置旋钮，水平拖动。

   **你会看到：** 共振中心随磁场移动，原子取向箭头和新采集计数同步更新。

2. 02

   #### 比较两种漂移

   先选“探测光漂移”，再选“泵浦功率漂移”。

   **你会看到：** 探测光归一化后共振仍稳定；泵浦漂移被独立监视通道发现，稳态推断停止。

3. 03

   #### 找出方向死区

   选择“沿磁场探测”，再回到“受驱进动”。

   **你会看到：** 探测光沿静磁场时读不到横向进动，光子计数仍在，磁场结论不再显示。

4. 04

   #### 试静态弱场

   选择“静态弱场”，慢慢改变偏置场。

   **你会看到：** RF关闭后，旋光随已知线圈偏置改变符号。离开单调分支时，系统停止给出唯一磁场。

5. 05

   #### 保存后再改装置

   保存扫描，改变泵浦后重新选择旧记录并导出CSV。

   **你会看到：** 旧时间门、标准和计数保持原样；CSV中没有生成磁场，仍可重算推断。

物理结论

磁场来自带参考的频率或已标定静态响应；同一份记录还要保留光强、空白和测量方向。

## 相关实验与文章

继续探索

### 从自旋准备到磁场读出

准备好的原子取向怎样变成光学磁场测量？

1. [实验 **光抽运与暗弛豫** 准备原子布居，比较泵浦与弛豫。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-pumping-relaxation/)
2. [实验 **Hanle 寿命光谱仪** 观察光学Hanle线怎样随激发态寿命变化，并区分激发态寿命与基态弛豫。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/hanle-lifetime-spectrometer/)
3. [实验 **锁相放大器** 用保留的参考比较带正负号的余弦与负正弦通道。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/lock-in-amplifier/)
4. [当前页面 **光泵原子磁力计** 从探测光计数推断共振，比较探测光与泵浦漂移。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optically-pumped-magnetometer/)

物理仪器怎样测量 · 阅读路径

### 物理仪器怎样测量

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **用光听见原子在磁场里的节奏**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optically-pumped-magnetometer/)

场、流体与物质 · 入门路径

## 从电场到电子显微镜

先看懂电场、学会操控带电粒子，再算出电子的波长，用电子束观察晶体和表面。

[从这里开始 → **看见电场** 在偶极子周围移动探针，看电场是不是总指向电势地形的下坡方向。 观察 · 8 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)

1. [1 看见电场](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)
2. [2 电荷在场中转弯](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/)
3. [3 电子波长与加速电压](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-wavelength/)
4. [4 电子衍射与倒空间](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-diffraction/)
5. [5 TEM 明场、暗场与选区衍射](https://sandboxphysics.com/zh/labs/tem-mode-selector/)
6. [6 SEM 二次电子表面形貌](https://sandboxphysics.com/zh/labs/sem-topography/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/fields-and-matter/#starter-path)