远程钠层磁场探测技术是结合钠激光导星和光原子磁力计提出来的一项新技术，用于探测海拔85-110km区域的磁场。传统磁场探测手段如Swarm星载磁传感器运行在450-500km高度，而高空科学气球的飞行高度一般在40-50km，故基于钠层的磁场探测可以弥补中间层顶磁场测量技术的空白。中间层顶磁场测量对于完善和校正全球地磁模型有重要意义。85-110km区域的磁场可作为重要科学现象的观测窗口，比如外地幔特性，电离层的太阳能静发电机，离子电流（与反应气候变化的洋流运动有关）。此外，中间层处于电离层底部，测量电离层底部磁场变化是理解磁场和电离层之间关系的关键。钠层磁场探测可对电离层底部磁场进行连续的长期测量，可用于监测与极光相关的磁干扰，这对于有极光活动的地区特别重要。本文围绕远程钠层磁场探测技术，在钠激光导星亮度提升与磁场探测方法、实验室钠原子磁力计以及远程钠层磁场探测等方面展开理论和实验研究，主要研究内容包括:　　1.研究钠层磁场探测技术，需要深入理解在钠层的复杂环境下，激光与钠层相互作用的物理机理。采用Bloch方程进行数值模拟，详细介绍了拉莫尔频率脉冲光用于提升钠激光导星亮度，以及用于钠层磁场探测的数值模拟结果。探讨了限制钠激光导星亮度的因素，并提出偏振转换激光泵浦——使激光偏振以拉莫尔频率在左右旋圆偏振间转换，来提升钠激光导星的亮度。建立了偏振转换理论模型，以欧洲南方天文台位于帕瑞纳（Paranal）的激光导星系统为例，系统地研究了偏振转换过程中基态磁子能级的布居几率演化特征，及激光与地磁场夹角、再泵浦比例对钠导星亮度提升的影响，数值模拟结果显示，在激光与地磁场夹角为90°时，回波通量提升40％。分析了连续波钠激光导星亮度随左、右旋圆偏振转换频率的变化，在此基础上提出了偏振转换可以作为远程钠层磁场探测的一种方案。此外，进一步分析了连续波激光幅度调制结合偏振转换方案在提升钠导星亮度及测磁上的可行性。　　2.在实验室搭建了钠原子磁力计系统，验证了远程钠层磁场测量原理——对连续波激光进行幅度调制，扫描调制频率，利用钠荧光强度随调制频率的变化反演磁场。将激光波长调谐到Na D1或D2线，研究了钠原子荧光的磁共振随激光光强、脉冲占空比和磁场值的变化。使用单个幅度调制激光束，演示了基于充有缓冲气体He的钠蒸气池的磁力计，并且在优化的实验条件下:钠池温度为60℃C，峰值激光强度为65W/m2，脉冲占空比为17.5％，利用NaD1线实现了150pT/√Hz的散粒噪声极限灵敏度。这项工作是实现中间层钠灵敏远程磁场测量的重要一步。　　3.进行了远程钠层磁场探测实验，包括在上海进行的钠层磁场探测尝试和摸索，以及在丽江高美古观测站所做的钠层磁场探测实验，为下一步实验积累了宝贵经验。分析了提升钠层磁场探测灵敏度和空间分辨率的手段。