小型化、低功耗、高灵敏度的原子磁强计在生物磁学、地磁测量、军事反潜等领域都有重大应用价值,因此设计结构简单的紧凑型原子磁强计探头是未来磁强计发展的方向之一。本论文的工作以磁场中的电子顺磁共振现象和同步光抽运技术为基础,致力于提供小型化甚至芯片级的原子磁强计方案,论文的主要研究内容如下:一、对原子磁强计相关的理论进行了分析和介绍。论文使用光学Bloch方程对磁矩的运动状态进行了推理和建模,并利用量子力学的含时微扰论解释了顺磁共振产生的物理机制。介绍了法拉第磁光旋转的相关理论和磁强计实验中常用的法拉第旋转角测量方法。文章还介绍了实验使用的87Rb原子的物理特性和光学性质,为原子磁强计物理方案的实验提供理论基础。二、设计并实现了一种基于单光束的全光学原子磁强计方案。论文以原子的拉莫尔进动频率为基准,周期性的对单束椭圆偏振光进行频率调制,使激光在多色光和单色光之间来回切换。多色光作用期间,与原子能级跃迁共振的正负一级边带开始抽运原子,原子在抽运光的作用下产生极化;单色光作用期间,椭圆偏振光中的线偏振分量将产生法拉第旋转,其携带的磁场信息通过差分探测的方法来提取。该方案适用于小型磁场梯度仪和磁场探头阵列。三、设计并实现了一种基于拉莫尔进动频率绝对测量的原子磁强计方案。论文设计了沿光传播方向的极化磁场,极化磁场随抽运光同步作用于原子以获得有效极化。每个抽运周期结束后,线偏振光将直接记录下磁矩在磁场中的运动信息再被探测。该方案可用于研究原子磁矩的弛豫过程,也提供了一种使用单光束进行磁场绝对测量的方法。四、设计并实现了一种基于单束多色光的原子磁强计方案。该方案使用微波调制激光产生多色光,用正交偏振仪将多色光的各边带转化为偏振性能符合条件的单束多色光,多色光中零级圆偏光用于抽运原子以实现磁矩的极化,线偏光穿过被极化的原子气室后的法拉第旋转角相反,携带原子磁矩宏观极化信息的线偏光通过差分探测的方法来提取信号。实验研究结果证明该方案适用于小型原子磁强计或含有独立光源的芯片级磁强计。