光把分散的小磁矩准备好
把一只陀螺斜放着，它的轴会绕竖直方向缓慢转圈。原子的自旋在磁场里也有类似的进动：磁矩的方向绕磁场轴转动。这叫Larmor进动，磁场越强，转得越快。单个原子太小，仪器利用的是一大群原子合起来的响应。
气室里的原子起初朝向杂乱，许多贡献互相抵消。圆偏振光沿传播方向携带角动量，原子反复吸收、发射光后，各个自旋方向出现偏向。这个准备过程叫光泵。碰撞和气室壁又会逐渐打散取向，持续泵浦便在补充这份秩序。
探测可以用另一束较弱的线偏振光。它穿过已极化的蒸气后，偏振方向转过一个小角。这个旋光角反映原子取向在探测方向上的投影。原子在动，光的偏振也跟着动，光电探测器把它变成随时间起伏的信号。
扫过共振，找到磁场的频率标尺
一旦有了共同取向，还要让进动持续并且容易辨认。Mx方式用横向振荡磁场驱动原子，像按节奏推动秋千。这里沿用RF这个名称，即使振荡频率落在可听声频范围。驱动频率接近原子的进动频率时，光学响应会明显改变。
把驱动频率从低扫到高，记录每个频率下光信号的幅度和相位。相位描述的是两段振荡谁先谁后。锁相检测把信号分别与已知参考、错开四分之一周的参考比较，留下两个带正负号的慢分量。一起看这两个分量，比只寻找明暗峰值保留了更多信息。
低场中，选定基态的铯原子具有已知频率标尺：每增加一纳特，进动频率约增加三点五赫兹。扫频找到共振中心，便可把频率换成磁场大小。光源更亮会增加计数，却不会直接把这把频率尺拉长。频率计本身仍要有可靠标定。
共振也有宽度。泵浦、弛豫和RF驱动都会影响它，驱动较强时，响应通常更宽。要分清中心位置与线宽，扫描应覆盖共振两侧。原子的取向若与驱动或探测方向配合不当，信号还会变弱，甚至出现看不见进动的方向。
变亮的探测光与变强的泵浦有不同后果
旋光可以用偏振分束器读出。分束器把光送到两个探测器，偏振稍微转动，一边收到的光多一点，另一边少一点。先减去关灯时测到的暗计数，再校正两个通道的增益，就能比较两边的差与和。
如果探测光整体变亮，两边的计数同时乘上近似相同的倍数。用差除以和，这个共同倍数便消去。独立的光强监视器还能检查变亮是否确实发生在光源。实际测量还要防止某一路饱和，以及两路增益各自漂移；已知的小角度偏转可检查读出标尺。
泵浦变强的后果更深。它改变原子取向，也改变原子恢复稳态的速率和共振宽度。即使探测光的差和比完全稳定，泵浦造成的变化仍留在原子响应里。扫频过程中泵浦不断变化，原来的稳态曲线就可能失真。泵浦监视必须独立保留，光强归一化解决的是两路探测光共有的变化。
这些检查把光子数与磁场结论连起来：暗计数给出零点，已知旋光给出光学刻度，参考振荡给出时间和相位，扫频两侧的数据约束共振中心。每次测量都带上这些条件，才容易追查一次频移究竟来自磁场还是装置。
接近零场时读静态偏转
磁场足够弱时，仪器还可以读另一种响应。泵浦持续把自旋推向一个方向，横向小磁场把它稍稍扳开，探测光读出这个静态偏转。此时可以关闭RF，扫描已知线圈偏置，在零场附近找到随磁场改变符号的光学信号。
这个斜率同时依赖泵浦和弛豫。离零场更远，偏转先增大、再减小，同样大小的光学响应可能对应两个磁场。已知弛豫与局部标定给出一段可用范围，在这段单调范围内才能把光学信号反推为场。
共振测量和静态偏转读的是同一群原子，却使用不同的工作条件。把强场近似里的共振频率直接降到零，会失去近似成立的基础。选择合适的测量方式，再保留光学标准、方向和时间参考，原子才能成为一把可解释的磁场尺。