磁场广泛存在于我们周围的空间中。磁场的精密测量在多个领域有着非常重要的应用,如地质勘探、军事导航、医学诊断和工业制造等。因此高精度的磁场测量技术成为了国内外学术界的重点研究方向之一。随着原子物理与激光技术的发展,近十年来高精度原子磁力仪的研究得到了快速的发展。光泵磁力仪是一种高灵敏度与高精度的原子磁力仪。在本文工作中,我们研制了一台用于弱磁探测的Rb原子Bell-Bloom光泵磁力仪(以下简称BB光泵磁力仪)。BB光泵磁力仪不需要射频场的激励,而是基于激光光源的调制来激发磁共振,因而在多通道磁探测器与梯度仪的研究中具有独特的优势。通过研究对比,我们发现对激光偏振态的调制获得信号灵敏度优于对激光频率或幅度的调制。为了适合于无磁屏蔽环境的应用,我们还研制了基于上述方案的磁场梯度仪,并对其性能进行了研究与分析。本论文的第一章阐述了磁场测量的意义,介绍与对比了几种原子磁力仪的测磁原理及特点,并分析了目前磁力仪的发展趋势。第二章主要阐述了BB光泵磁力仪的测磁原理,包括Rb原子的能级结构与塞曼效应、光泵浦效应以及BB光泵的光磁共振原理等。第三章详细介绍了激光偏振态调制的BB光泵磁力仪的实验装置,包括光源部分,磁传感部分以及信号探测部分,用该磁力仪系统分别测量了0.5nT、0.2nT、0.1 nT以及0.05nT的磁场台阶信号,分析了磁力仪的分辨能力。通过分析磁场信号的噪声功率谱,在10Hz处磁力仪获得了2pT/Hz1/2的灵敏度。此外,用优化后的系统分别测量了频率为1Hz、2Hz、5Hz,幅度为400pT的模拟心磁信号,并对原始输出信号做平均后的结果进行了比较。第四章介绍了由双路BB光泵磁力仪组成的磁场梯度仪的实验装置,介绍了在无磁屏蔽环境下,测量了由反亥姆赫兹线圈提供不同磁场梯度时,梯度仪测得的实验结果。最后一章进行了总结,并对该原子磁力仪系统的改进与发展进行了展望。