光学原子磁强计是一种基于光抽运效应的高灵敏度磁场测量装置。原子在光抽运的作用下发生定向排列，外磁场的变化影响原子排列状态，通过检测透射光即可反推出场强。近年来，随着半导体激光器与原子物理的发展，光学原子磁强计已经取代SQUID成为灵敏度最高的磁场测量装置。与SQUID相比，光学原子磁强计无须低温维持系统，并且可以利用MEMS技术集成到芯片上，已被应用于NMR和MRI、生物磁信号探测、基础物理研究等领域。本文对光学原子磁强计的原理及其应用进行了研究，主要包括以下内容： 首先，从引入光抽运的Bloch方程出发，推导了光学原子磁强计的信号表达式。按照测量结构的不同，将光学原子磁强计分成了三类。前两类的光源保持输出恒定，在第一类测量结构中交变场引起塞曼子能级之间的磁共振，在第二类测量结构中交变场起到调制的作用。第三类测量结构则是对光源进行调制，无须加入交变磁场。以前两类测量结构的信号表达式为基础，设计了基于铷元素的光学原子磁强计。基于光学原子磁强计的检测平台除了最基本的光路以外，还包括磁屏蔽装置与相敏检波电路等辅助设备。磁屏蔽装置采用了主动屏蔽与被动屏蔽相结合的方式，在由坡莫合金制成的三层磁屏蔽筒中加入了主动屏蔽线圈，并自行研制了线圈所需高稳定度恒流源。光学原子磁强计工作时需要将吸收泡加热至适宜温度并维持吸收泡温度恒定，在对常规方法进行实验对比的基础上，提出了一种循环水控温方式。 其次，对利用光学原子磁强计探测磁共振信号进行了初步研究。实验基于远程探测结构，将磁共振成像过程分为预极化、编码和检测，分别设计了0.96T永磁预极化磁体和0-10mT常导编码磁体。为了验证光学原子磁强计的相位分辨能力，在大华光磁共振实验装置的基础上进行了1D、2D模拟MRI实验。利用基于第二类测量结构的光学原子磁强计测量到了去离子水经过预极化磁体磁化后的剩磁信号。 最后，利用光学原子磁强计进行了μm量级磁颗粒的检测实验。实验样品为直径20nm的Fe3O4颗粒，聚集成团后的尺寸约为100-600μm。将磁颗粒放入预极化磁体中，利用基于第二类测量结构的光学原子磁强计测量放入前后的场强变化情况，并与磁通门磁强计进行对比。目前我们能够探测到的最小颗粒为100μm。 综上所述，本文从经典物理的角度给出了光学原子磁强计的信号表达式，详细介绍了光学原子磁强计的设计及其优化过程。通过磁共振信号及磁颗粒检测实验，对光学原子磁强计在弱磁测量中的应用进行了初步探索。