为实现锶原子光钟的空间应用,采用永磁体塞曼减速器,可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题,利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器,在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣,利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量,可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明: 两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果,但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上,相较单x方向的柱状永磁体塞曼减速器,体积减少了60%,重量减少了80%,减速效果部分区域效率高一倍,因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素,完成了小型化锶原子光钟的一级俘获,满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。

真空锁频系统是实现激光稳频的重要组成部分,在该系统中产生高分辨互组跃迁荧光谱((5s2)1S0→(5s5p)3P1)是分析原子谱线相关特性及精确测量跃迁频率等参数的前提。本文通过将装载有毛细管的准直器置于锶炉内,从源头减小原子束的发散角,将原子束的发散角减小至31 mrad。即减小原子束的横向速度,进而减弱光与原子作用的一阶多普勒频移,实验最终得到分辨率较高且线宽为26 MHz的互组跃迁荧光谱。锶原子互组跃迁荧光谱特性的相关研究对于光晶格原子钟锁频系统的建立具有重要意义,因此本文从实验上探讨并分析了锶炉温度和激光光强等因素对互组跃迁荧光谱的影响。

为了实现87Sr原子光钟的闭环运行，根据将超稳激光频率锁定在钟跃迁超精细能级自旋极化谱双峰中间的锁频原理，设计和实现了锶原子光钟闭环控制系统。首先，详细分析了87Sr原子光钟闭环运行的具体需求, 包括冷原子制备及钟跃迁探测、闭环锁定等阶段中所需要的控制信号及其时序; 然后，根据该需求设计了时序控制和频率控制的物理系统; 最后，利用LabVIEW虚拟仪器开发平台和NI硬件系统设计了87Sr原子光钟的闭环运行的自动化控制程序。实验结果显示，采样时间为3 000 s的光钟频率稳定度为5.7×10-17，拟合得到的环内稳定度为5×10-15/τ1/2，表明该控制系统的精度符合锶原子光钟的闭环运行要求。

基于分布函数理论,分析了Zeeman减速器中截止速度对蓝磁光阱装载的影响,研究了Zeeman减速器中截止速度与蓝磁光阱俘获原子数目之间的关系,对比了分布函数理论和通用理论两种模型的拟合结果,结果表明,分布函数理论模型能更好地描述两者之间的关系。利用多匝Zeeman减速器对进入蓝磁光阱的热原子束进行减速,制备了锶光钟的冷原子样品。在光钟系统研制中,利用分布函数理论对Zeeman减速器进行了优化设计,提高了Zeeman减速器的工作效率,为实现更高效更紧凑的Zeeman减速器及光钟小型化提供了参考。

以磁光阱中的锶冷原子为介质，对三重态双耦合场下的伞型结构电磁诱导透明(EIT)效应进行了实验观测。对实验中涉及到的抽运激光采用Pound-Drever-Hall稳频技术和注入锁定技术，对弱探测光进行功率稳定，提高了实验的观测精度。实验结果证明,耦合光的失谐量对三重态EIT有较大影响，且该EIT线形是两个Λ型结构EIT线形的简单叠加。

锶光钟小型化系统中,利用Doppler测速法对小发散角锶原子的速度分布进行了测量。从锶炉喷出原子束的最可几速率为440 m／s,经过永磁体塞曼减速器减速后原子的速度最低可降低至80 m／s。验证了在原子行进过程中设置的减速磁场即永磁体塞曼减速器,能够对原子进行有效减速,进而提高俘获冷原子的数目。实验中采用的Doppler测速法装置简单,易于操作,可直接探测原子束的速度分布曲线。