Dựa theo nguyên lý này, máy đo từ Cs133 được chế tạo và hoạt động như sau (Hình c):[3]

Cảm biến làm việc (sensor) là buồng hơi chứa Cs133 (Vapour chamber) được nung bằng Lò sấy (Heater) thành hơi, làm các nguyên tử Cs ở gần trạng thái kích thích.

Phía đầu buồng là một đèn hơi Cs Lamp, nung sáng bằng vòng dây nung cao tần (Microwave oven), phát ra photon là ánh sáng tím, có năng lượng đúng bằng năng lượng cần cho kích thích nguyên tử Cs133 trong buồng hơi lên các trạng thái 2p1 và 2p2. Thấu kính L1 có tấm phân cực lọc cho qua phần ánh sáng 1s→2p2 và hướng các tia sáng đi dọc buồng, làm các nguyên tử Cs được kích thích chọn lọc lên trạng thái 2p2. Đây là lý do máy được gọi là "bơm quang học".

Sự mất cân đối số lượng nguyên tử ở trạng thái 2p2 và 2p1 dẫn đến hấp thụ ánh sáng giảm, đồng thời kích thích chuyển dời 2p2→2p1. Thấu kính L2 hội tụ tia sáng lên diode cảm quang, cảm nhận mức ánh sáng bị buồng hơi hấp thụ.

Tín hiệu từ diode được đưa tới Khuếch đại. Sau đó đưa tới khối Chỉnh pha (Phase Correction), từ đó cấp tới cuộn kích thích w1 quấn quanh buồng hơi, làm đồng bộ các dịch chuyển có ích, dẫn tới giải phóng trạng thái 2p2 và tăng hấp thụ ánh sáng. Tín hiệu cũng được đưa tới mạch Đếm xung (Count), chuyển đổi ra giá trị trường, rồi Hiện kết quả và lưu giữ.

Thể tích làm việc của sensor nhỏ, cỡ vài cm3, nên máy có thể đo được từ trường ở nơi có gradient tương đối lớn.

Thiết kế như vậy thích hợp cho đo liên tiếp giá trị trường. Nó cần quá trình sấy máy trước khi làm việc. Trong đo đường bộ nó kém cạnh tranh với Máy đo từ proton, vì mức tiêu thụ nguồn cao và khó bảo trì. Để đèn hơi Cs133 phát ánh sáng đủ mạnh, thì mạch tạo vi sóng cỡ trăm Mhz bằng transistor siêu cao tần phải được chỉnh cộng hưởng với vòng dây nung (có thể bị bỏng vi sóng nếu thao tác sai). Các va đập và hơi ẩm thường làm sai lệch cộng hưởng hoặc/và làm hỏng mạch này.