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磁力仪是通过测量磁感应强度大小和方向来进行磁异常数据采集仪器的统称。磁场测量技术是一种研究与磁现象相关的物理现象的重要手段。利用磁力仪进行磁异常数据采集是一种非常重要的地球物理方法。磁力仪在宇宙空间探测、航空和航海国防探测、地面物探以及工业生产中都有较为广泛的应用。因此，研制和改造高性能的磁场测量装置有着十分重要的意义。
光泵磁力仪是一种常见的弱磁测量仪器，它是利用元素原子能级在外磁场作用下产生塞曼分裂效应的原理，采用光泵技术和磁共振技术相结合研制出来的一种高灵敏度磁场强度测量仪器。光泵磁力仪按照电子线路结构的不同可以分为跟踪式光泵磁力仪和自激振荡式光泵磁力仪两个大类。铯光泵磁力仪通常是采用自激振荡式，通过高频振荡器激励铯灯泡发出一定频率的光波，经过滤光片和偏振片变成左旋圆偏振光去照射充有铯蒸气的气室，使其产生光泵效应。通过检测光电二极管上的转换的电信号并经过放大和移相后加在吸收室的射频线圈上，构成自激振荡回路，使铯原子的能级分布进行重新排列，透过吸收室后的凸透镜聚焦在光电探测器上的信号达到最弱，产生磁共振现象，结合磁共振和光探测技术测出达到共振时候的频率值，并根据外磁场与共振频率的对应关系实现磁场强度的测量。
本论文在查阅了大量的国内外相关文献的基础上，介绍了光泵磁力仪国内外的研究现状和发展趋势。介绍了自激振荡式铯光泵磁力仪测量磁场强度的基本原理和仪器的基本结构，通过分析铯元素的塞曼子能级之间的跃迁方式对光泵作用的原理做了简要的阐述，并简要介绍了碱金属蒸气激光二极管激光源作为光谱激励吸收室内铯蒸汽的光泵磁力仪的原理，对于自激式铯光泵磁力仪探头内吸收室的恒温加热控制和铯光谱灯的高频激励原理做了详细的分析，并以此为基础，结合当前新的电子技术和方法，设计了相应的恒温加热控制电路、高频振荡电源反馈电路及高频振荡电路。
探头内吸收室的铯单质需要在蒸气状态下才能产生光泵作用，并且温度的漂移也会引起磁场值的微小变化，通过恒温加热控制电路使得磁探头的吸收室处于恒温状态。本文研究了通过采用自动增益控制信号放大，再改变加热电路输出的功率来改变吸收室温度的同时通过反馈调节实现自动调整加热的功率，从而实现连续的加热控制。该加热控制系统通过吸收室的负温度系数的热敏电阻和加热丝构成一个负反馈系统，实现加热的动态平衡。为了验证恒温加热控制电路的可行性并实现监控探头内温度变化的目的，设计了恒温槽模型，通过铂电阻PT1000制作相应的测温模块，观测吸收室内温度变化的规律。
铯灯泡采用是一种无极灯泡，灯泡里面没有灯丝和电极，它需要外部高频的信号去激励使得它发光，铯光泵磁力仪的谱灯激发频率约为122MHz。研究了利用单管高频振荡电路产生正弦波信号，通过负载上的LC串联谐振使得铯灯泡可以被点亮。为了稳定铯灯泡的光强，将高频振荡电路的电源设计成负反馈模式，利用光敏二极管探测铯灯泡发光的强度，反馈至输入端，通过信号调理电路改变输出电压的大小，从而改变高频振荡输出的幅度，达到改变铯灯泡发光强度的目的，从而使得高频振荡器的输出信号能够工作在一个平衡状态，铯灯泡的光强也相对稳定。
最后，对于改造设计好的恒温加热控制模块、高频振荡电源控制模块以及高频振荡模块分别进行了测试，并对最终的测试结果做了分析，并将它们替换到国外的铯光泵磁力仪中，在室外以及标准实验室的弱磁测量环境中进行测量。