光泵浦

弧光燈（頂部）對雷射棒（底部）進行光抽運的示意圖。紅色：熱；藍色：冷；綠色：光；非綠色箭頭：水流；實心顏色：金屬；淺色：熔融石英。

光泵浦（Optical pumping），亦稱光抽運、光激升，是指利用光將原子或分子中的電子從較低能級激發至（「抽運」到）較高能級的過程。此過程常應用於雷射領域，通過泵浦增益介質（活性雷射介質）以實現粒子數反轉。該技術由法國物理學家阿爾弗雷德·卡斯特勒在1950年代初開創，卡斯特勒亦因此研究獲得了1966年的諾貝爾物理學獎。

光抽運的另一應用是將原子或分子內的束縛電子，周期性地製備到特定的量子態上。以僅含單個外層電子的原子為例，在最簡單的相干雙能級光抽運情形下，電子會被相干地抽運到單一的超精細子能級（以$m_{F}$標記）。具體抽運到哪個子能級，取決於抽運雷射的偏振方向以及量子選擇定則。經過光抽運後，原子通常被稱為在特定的$m_{F}$子能級上被「取向」（oriented）。但由於光抽運過程的周期性，束縛電子實際上會在低能級與高能級的子能級之間，不斷經歷激發和衰變（或受激輻射）的循環。抽運光的頻率和偏振決定了原子最終被取向到的$m_{F}$子能級。

實踐中，完全相干的光抽運可能難以實現，因為存在躍遷線寬的功率展寬，以及超精細結構俘獲和輻射俘獲等效應的影響。因此，在實際情況下，原子的取向通常不僅取決於雷射的頻率和偏振，還與雷射強度、光譜帶寬，以及吸收躍遷的線寬和躍遷概率等因素相關。

光抽運實驗是物理學本科教學中的常見項目，通常使用銣氣作為同位素樣本。這類實驗可以展示如何利用射頻（MHz範圍）電磁輻射來有效地抽運銣原子，或使其弛豫（解除抽運狀態）。

在原子鐘中的應用

光抽運是現代原子鐘（特別是基於Cs或Rb蒸氣的原子鐘）不可或缺的關鍵技術，主要用於原子的量子態製備和躍遷探測，以提升其長期穩定性。

量子態製備：在原子鐘運行過程中，需要將參與鍾躍遷的原子精確地製備到特定的超精細結構能級上。通常，利用特定偏振和頻率的抽運光，將原子抽運到對磁場一階塞曼效應不敏感的$m_{F}$磁子能級上。選擇這個態是因為它對外部磁場的微小變化最為不敏感，從而可以顯著降低環境磁場波動對原子鐘頻率穩定性的影響。這確保了作為頻率基準的原子躍遷頻率儘可能地不受外界干擾。

狀態選擇性探測：在原子與微波場（用於驅動兩個超精細能級之間的鐘躍遷）相互作用之後，光抽運也可用於探測有多少原子實際發生了能級躍遷。這通常通過狀態選擇性探測實現：使用一束探測光，該光只與其中一個鍾態能級（例如，躍遷後的激發態或未發生躍遷的基態）的原子發生共振相互作用。通過測量此過程中原子的螢光強度或探測光的吸收量，可以精確得知原子在兩個鍾態上的布居數比例。這個信息被用於產生誤差信號，反饋給微波源以將其頻率精確鎖定在原子躍遷頻率上。因此，光抽運不僅用於「準備」原子，還用於「讀取」原子鐘的核心信息。

此外，基於光抽運和原子相干性的技術，如相干布居囚禁（Coherent Population Trapping, CPT），也被廣泛應用於緊湊型、低功耗原子鐘（如晶片級原子鐘）的設計中。