提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3 h),其功率谱密度在0.001~0.2 Hz频率范围内的最大抑制量约为30 dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10 ^-14τ^-1/2 ( τ 为积分时间)。

对积分球冷原子钟(ISCAC)探测光的频率和强度噪声进行了理论分析和实验研究。通过功率稳定和杂散光去除, 探测光相对强度噪声的功率谱密度在高频区域(0.1～10 kHz)最大被压缩了15 dB, 同时探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响被降低至9τ－1/2×10－15, 其中τ为积分时间。理论分析结果表明, 目前探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响为2.5τ－1/2×10－13。提出了一种减小探测光频率噪声影响的实验方案, 即在钟周期一定时适当增大探测时间。采用这种方法, 可以将探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响减小至9.4τ－1/2×10－14。

在进行Ramsey作用时，以±π/2的相位差来调制同一频率点处两个周期微波脉冲，可以获得中心频率幅值为零的Ramsey条纹。这种方法可以直接通过中心频率处原子对探测光的吸收值变化来产生反馈本地振荡器的误差信号。理论上，相比于同相位Ramsey条纹，这种方法可以使得条纹信号幅值增加一倍。实验上，在积分球冷原子钟系统上，获得的相位调制Ramsey线型与理论计算相同，而且Ramsey条纹振荡幅值达到同相位下的1.6倍。

给出了利用全光纤环形谐振器实现对激光器频率噪声抑制的原理和实验结果。采用Pound-Drever-Hall 的方法对锁定在铷原子吸收谱线上的激光进行稳频，实现了饱和吸收光谱与光纤环形谐振器双回路锁定。通过外差式马赫-曾德干涉仪来测量锁定后的激光器频率噪声发现，在频率100 Hz 时，光纤环形谐振器对频率噪声的抑制度超过了40 dB。在1 Hz处，稳频激光器的频率噪声小于100 dB Hz2 /Hz ，其抑制度达到60 dB。

观测到了使用镀银微波腔产生漫反射光场冷却原子的信号，完成了微波腔与积分球一体化的最后一步。这种冷却方式结构更加简单，且没有涂料，不会对微波场场型造成影响，有利于钟信号的信噪比及对比度提高。同时测试了微波腔冷却在不同冷却光注入方案、漫反射系数及腔表面开孔尺寸下的冷却性能。结果表明端面注入冷却光是目前获得更多冷原子数目的方法，提高腔表面的漫反射系数，可以显著提高冷原子数目。为了充分利用积分球内的冷原子，采用了10 mm的通光孔径，测试了不同通光孔径对冷原子信号的影响，证实了目前较大的通光孔径不会影响到冷原子数。

首先对一体化的积分球微波腔进行了论证，然后进行了设计、仿真和加工实测。采用单端环耦合的方式进行微波激励，分别对从圆柱腔的端面及侧面耦合的方式进行了仿真，结果发现在圆柱腔侧面耦合能得到较好的场型分布。实现了通过微调耦合环的方式进行模式选择的新方法，这种方法简便易行，且能有效减小微波腔的体积。测试结果表明设计的微波腔体积小、结构稳定，能同时满足积分球冷却和微波腔的功能要求即实现了积分球与微波腔一体化的要求，更重要的是一体化结构不需要使用漫反射涂料，不会影响腔的模式及场型分布，有利于提高钟信号的信噪比和对比度。