近年来,随着弱磁传感器的快速发展,基于原子磁力仪结构的弱磁传感器在理论水平上实现了弱磁传感领域里的最高磁场灵敏度。特别是基于无自旋交换弛豫（spin-exchange relaxation free,SERF）理论制作的磁力仪,其灵敏度已经超过超导量子干涉仪（superconducting quantum interferometers,SQUIDs）,并且低成本、微型化的优势使其在弱磁探测领域被寄予厚望。SERF型原子磁力仪消除了因为自旋交换碰撞而产生的自旋交换展宽成分,碱金属原子间的相干性被提升,故具备有超高灵敏度。弱磁检测技术在诸多领域如地球物理探测、矿石探勘、医学上都有应用。尤其是在脑磁测量方面,有望超越超导量子干涉仪成为新一代脑磁图和心磁图的磁传感器。本论文的主要研究工作如下:1.论文介绍了弱磁传感器的发展历史与研究意义;接着介绍了目前主流的弱磁传感器,并主要阐述了弱磁传感器发展的现状。2.分析了弱磁传感器工作的理论基础;建立了基于布洛赫方程的原子自旋演化方程,从方程出发探讨提升磁力仪信号的方法。利用原子气室内的弛豫机制,设计出合适缓冲气体压强的原子气室。3.设计并搭建了弱磁传感器系统,采用单光束光学原子磁力仪结构,利用795nm圆偏振光泵浦铷原子气室,1550nm激光被用作加热气室。整个气室利用玻璃吹制法制作。弱磁传感探头采用3D打印技术制作。利用锁相放大器处理采集到的信号,解调后获得与外界磁场强度成色散线性的信号。4.对影响弱磁传感器性能的参数做出优化,分别优化了光泵浦速率、调制磁场的频率与振幅、泵浦光的椭圆度。解调后的色散曲线近零磁场区域的斜率为即为转化系数。对弱磁传感器本底噪声进行噪声功率谱分析,噪声功率谱除以转换系数获得灵敏度指标,得到灵敏度为400 f T/√。分析了影响灵敏度大小的因素并提出提高灵敏度的方法。在传感器探头微型化方面做了大量的工作,在现有传感头设计基础上,将微型化探头体积缩小数十倍。相应的光学器件,电学元件设计成符合微型探头的尺寸。采用更加稳定的泵浦光源优化了光源噪声,降低系统线宽,最终获得灵敏度60f（?）。