与跟踪式光泵磁力仪结构相似，由泵浦光源（氦灯）、透镜、滤光片、起偏器、射频场线圈、⁴He原子气室、光电检测器、前置放大器、选频放大、相敏检波器、PID（比例-积分-微分）控制器、点火电路、调频的电压控制射频振荡器、频率磁场转换等组成，如图所示。

氦光泵磁力仪原理示意图

用高频激发的方法，使氦灯发出特定波长的光，同时也使原子气室中的氦原子处于亚稳态。特定波长的光通过透镜、滤光片、起偏器射入原子气室后，使气室内的氦原子产生跃迁。跃迁频率（拉莫尔频率）与外磁场有确定关系，称为旋磁比。

对于⁴He，f=28.0356·T（赫兹/纳特），这一特定波长的光束经透镜照射到光电检测器形成光电流。

在垂直光轴方向加以射频磁场，当频率等于跃迁频率时，气室内氦原子重新排列（称磁共振），此时气室吸收透过的特定波长的光，光电检测器的光信号发生变化。

通常，射频场是由调频的电压控制振荡器产生，用选频放大器检测这一调频信号后送至相敏检波器，若射频场频率高于拉莫尔频率，相敏检波器输出一正的控制信号，使PID控制器中积分器输出电压减小，电压控制振荡器输出频率减小，反之输出频率增加，适当调节PID电路，使射频振荡器中心频率始终跟踪在与外磁场对应的拉莫尔频率上。经由频率电压转换器转换成磁场值输出。

根据应用场合，可分为航空、海洋、地面便携、日变基站光泵磁力仪。

与其他碱金属光泵磁力仪相比，光泵灯、室无须恒温，旋磁比高，光电检测器响应速率要求低等。测量地磁场绝对精度与铯光泵磁力仪相当，在1纳特左右（1纳特=10^-9特斯拉）。但系统通带较窄、梯度容限小，适合在磁场梯度不大的环境中使用。