弱磁检测技术的发展非常迅速，有着广泛的应用领域。主要包括地质调查、油气矿产勘察、考古、材料缺陷检测、海底光缆调查、寻找水下沉船、生物磁场检测等。最早的高灵敏度磁力仪是在二次世界大战中开发出的磁通门磁力仪，随后又相继出现了质子磁力仪，欧弗豪泽效应磁力仪，光泵磁力仪，超导磁力仪，测磁灵敏度不断提高。近几年，出现了测磁灵敏度更高的原子磁力仪。本文研究了原子磁力仪的原理，并搭建全光原子磁力仪系统，实现了高灵敏度弱磁场检测，主要研究了以下几个方面的内容。（1）本文选用铯（Cs）原子作为工作物质，详细讨论了圆偏振光极化原子的物理过程，利用线偏振光检测介质的圆二向色性的方法实现微弱磁场检测，并给出详细推导过程。同时，讨论了影响原子极化的各种弛豫。（2）实验系统中采用外腔半导体激光器作为光源，详细讨论了消多普勒极化谱和原子二向色性激光稳频技术（DAVLL），采用速率方程推导了这两种无调制激光器稳频技术的基本理论，与实验结果符合的较好，并分析了各种稳频技术在原子磁力仪系统中的优缺点。（3）原子磁力仪的核心器件是Cs原子气室，文中根据Cs-He自旋破坏碰撞弛豫和壁碰撞弛豫的原理讨论原子气室的直径与充入He气的压强对原子磁力仪的影响，并设计定制了Cs原子气室。同时提出利用压致增宽效应测量气室内压强的方法，通过测量Cs原子的吸收谱线宽实现气室内气体压强值的测量。（4）为提高Cs原子数密度，我们设计开发了无磁热气流加热装置对Cs原子气室进行加热，避免了电加热会引入磁噪声的缺点，成功用于原子磁力仪实验系统，并实现了0.1oC的分钟温度稳定性。（5）微小偏转角检测系统中详细讨论了分光束检测法和法拉第调制技术，从理论和实验中验证了其用于微小偏转角检测的可行性，二者均可实现10-7rad小角度检测。分光束检测法可实现更高的响应速度，并在实际系统中应用。最后，成功搭建了全光Cs原子磁力仪系统，通过实验测量数据讨论了泵浦光频率、泵浦光强、检测光强、温度、泵浦光调制占空比、磁场等因素对原子磁力仪的影响，在优化各参数后，在100nT附近实现了0.3pT/Hz1/2的国内最高测磁灵敏度，并给出了进一步提高灵敏度的思路。本文的主要创新性成果包括：（1）在国内首次采用双光束结构搭建全光Cs原子磁力仪系统，并实现了0.3pT/Hz1/2的国内最高测磁灵敏度；（2）采用与原子共振的线偏振光检测介质的圆二向色性实现弱磁检测；（3）利用压致增宽效应测量Cs原子气室内的实际压强值；（4）采用热气流加热方式设计制作了无磁加热系统。