Опти́ческая ориента́ция, 1) парамагнитных атомов газа, ориентация в определённом направлении угловых моментов (механических) и связанных с ними магнитных моментов атомов (или ионов) под действием циркулярно поляризованного оптического излучения резонансной частоты; 2) спинов носителей заряда в полупроводниках, возникновение преимущественного направления спинов носителей заряда и взаимодействующих с ними ядерных спинов при освещении полупроводника циркулярно поляризованным светом. Открыта А. Кастлером в 1953 г. Оптическая ориентация является частным случаем оптической накачки – перевода вещества в неравновесное состояние в процессе поглощения им света.

При оптической ориентации в отсутствие магнитного поля угловые моменты атомов ориентируются вдоль или против направления луча ориентирующего света в зависимости от знака круговой поляризации света, а также от сочетания величин углового момента в основном (${J_0}$) и возбуждённом (${J}$) состояниях атома. Возникает суммарный макроскопический вектор ориентации. Величина оптической ориентации в случае двухуровневых атомов характеризуется отношением разности населённостей уровней к их сумме. При наличии магнитного поля в системе сохраняется проекция вектора ориентации на направление вектора магнитной индукции.

Если за время жизни возбуждённого состояния атом не подвергается столкновениям с переворотами углового момента, то процесс оптической ориентации можно рассматривать как следствие закона сохранения проекции углового момента в системе атом – излучение: каждый фотон циркулярно поляризованного света, обладающий проекцией углового момента ${ \pm}{\hbar}$ (${ \hbar}$ – постоянная Планка) на направление своего распространения, будучи поглощён, передаёт этот угловой момент возбуждённому атому – ориентирует его. Спонтанное испускание возвращает атом в основное состояние, причём ориентация атома в среднем сохраняется (вследствие изотропности спонтанного испускания).

Если за время жизни возбуждённых атомов их ориентация разрушается столкновениями, то ориентация атомов в основном состоянии может возникать за счёт различия вероятностей возбуждения атомов, по-разному ориентированных относительно луча света. При этом ориентация совпадает со знаком поляризации света, если ${J_0 \geq J}$, и противоположна при ${J_0 \lt J}$. Это приводит к зависимости знака и величины оптической ориентации атомов от спектрального состава ориентирующего света.

Равновесное значение оптической ориентации устанавливается в результате конкуренции ориентирующего действия света, пропорционального произведению интенсивности света на вероятность поглощения, и процессов дезориентации за счёт межатомных столкновений и столкновений ориентированных атомов со стенками сосуда. Для атомов, угловой момент которых имеет чисто спиновую природу, сечения дезориентирующих столкновений с частицами без спинового момента оказываются очень малыми (менее 10^–20 см² для инертных газов). На этом основано использование буферных газов, которые не разрушают ориентацию и одновременно увеличивают время диффузии атомов к стенке сосуда, где ориентация теряется. Для снижения скорости релаксации на стенки сосуда с атомарными парáми наносят покрытия с малой энергией адсорбции ориентируемых атомов (например, парафины). Эти методы позволяют достичь времён релаксации спина вплоть до 1 с. Для чисто ядерных парамагнетиков (атомы $\text{Zn}, \text{Cd}, \text{Hg}, {^3}\text{Не}$) времена релаксации спина ядра могут быть много больше. Длительные времена релаксации позволяют ориентировать атомы светом малой интенсивности (<10^–3 Вт/см²).

Процесс оптической ориентации атомов непосредственно применим к атомам щелочных металлов, атомам $\text{Zn}, \text{Cd}, \text{Hg}$, инертных газов в метастабильных состояниях и к некоторым другим. Перестраиваемые лазеры дают возможность ориентировать не только атомы, но и молекулы, для которых характерны большие сечения разрушения ориентации. Многие объекты, для которых прямая оптической ориентации неосуществима (атомы с линиями поглощения в недоступной спектральной области, ионы, свободные электроны), могут ориентироваться при столкновениях с непосредственно ориентируемыми атомами (так называемый спиновый обмен).

Техника оптической ориентации атомов проста. Атомарный пар в прозрачной колбе с буферным газом (или буферным покрытием стенок) облучается светом газового разряда в парaх того же элемента, атомы которого подвергаются ориентации. Ориентирующий свет поляризуется и фильтруется по частоте. Магнитные поля, налагаемые на рабочий объём, изменяют состояние ориентации, что фиксируется с помощью фотодетектора, измеряющего интенсивность прошедшего света. Часто оптическая ориентация осуществляется в атомных пучках.

Оптическая ориентация атомов вместе с оптическим детектированием состояния ориентации применяется в магниторезонансных исследованиях (метод двойного радиооптического резонанса, который по чувствительности на много порядков превосходит обычные методы магнитного резонанса). Для исследования магнитного резонанса возбуждённых атомов этот метод единственно возможен.

Оптическая ориентация используется в исследованиях радионуклидов. Для атомов, ядра которых обладают угловым моментом, оптическая ориентация электронной оболочки сопровождается ориентацией ядер, что обнаруживается по анизотропии вылета продуктов распада ядер. Этот эффект позволяет проводить измерения изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры спектральных линий короткоживущих изотопов в очень малых концентрациях (единицы атомов в 1 см³).

Оптическая ориентация атомов применяется также для измерения величины магнитного поля. Большие времена релаксации обеспечивают узость линий магнитного резонанса (единицы Гц), что позволяет с большой точностью измерять их частоту и тем самым магнитную индукцию. Магнитометры, работающие на этом принципе (квантовые магнитометры), имеют высокую чувствительность (до 10^–12 Тл/Гц) и используются для измерения геомагнитных полей.

Для атомов, обладающих и электронным, и ядерным угловым моментом, возможен особый вид оптической ориентации, при которой достигается взаимная ориентация ядерного и электронного угловых моментов с сохранением изотропности распределения суммарного углового момента. Этот тип оптической ориентации, называемый сверхтонкой оптической накачкой, применяется в оптических стандартах частоты.

2) Оптическая ориентация спинов носителей заряда в полупроводниках, возникновение преимущественного направления спинов носителей заряда и взаимодействующих с ними ядерных спинов при освещении полупроводника циркулярно поляризованным светом. При правой поляризации спины ориентируются противоположно световому лучу, при левой – вдоль него. Оптическая ориентация обусловлена передачей углового момента циркулярно поляризованных фотонов носителям заряда и ядрам. Спиновая ориентация носителей возникает в результате спин-орбитального взаимодействия. Ядерные спины ориентируются за счёт сверхтонкого взаимодействия с фотовозбуждёнными ориентированными электронами. Существенное отличие оптической ориентации в полупроводниках от оптической ориентации парамагнитных атомов газа обусловлено анизотропией кристалла и коллективным характером взаимодействия электронных и ядерных спинов.

Трудность наблюдения оптической ориентации в полупроводниках связана с её быстрой релаксацией. Характерные времена ${\tau}$ спиновой релаксации для электронов порядка
10^–7–10^-10 с, для дырок ${\tau}$∼10^–10–10^–13 с (что на много порядков меньше ${\tau}$ свободных атомов в газах). Спиновая система ядер релаксирует медленно: ${\tau}$∼10^–2–1 с в кристаллах $\text{А}^\text{III}\text{B}^\text{V}$ и
${\tau}$ ∼10²–10⁵ с в $\text{Si}$.

Методы обнаружения оптической ориентации в полупроводниках основаны либо на возможности наблюдения ориентированных носителей за времена, меньшие ${\tau}$ (метод поляризованной люминесценции), либо на наблюдении равновесной ядерной намагниченности, сохраняющейся длительное время (методы ядерного магнитного резонанса и квантовой магнитометрии). Применяют также метод, основанный на циркулярном фотогальваническом эффекте, в котором оптическая ориентация спинов приводит к появлению электрического тока.

С помощью оптической ориентации исследуют кинетические и релаксационные явления в полупроводниках, параметры их зонной структуры и дефекты кристаллической решётки.