激光稳频是影响原子喷泉系统性能的关键技术。提出了一种应用于原子喷泉系统的激光稳频优化方案。该方案将激光冷却过程中采用的移频方法应用到稳频系统中，通过光纤电光调制的方法产生边带，并将频率锁定在边带的饱和吸收峰上。同时应用大光斑饱和吸收模块，改善饱和吸收信号和误差信号的信噪比。利用85Rb原子喷泉系统主光路的探测光，通过1.035 GHz的移频，实现从85Rb饱和吸收峰到87Rb饱和吸收峰的转移锁定，并在85Rb喷泉系统中观测到冷原子云信号。锁定后的信号可实现较长时间的稳定工作。该方案通过控制电光调制频率，还有望实现激光冷却实验范围内的任意频率锁定，具有重要的应用价值。

研究了不同晶面与掺杂的ZnO晶体在飞秒线/径向偏振光（330 fs， 532 nm）激发下的超快三阶光学非线性效应。首先，采用紫外/可见吸收光谱对ZnO晶体的带隙进行分析；然后，基于Z-Scan技术在飞秒线/径向偏振光条件下测试了ZnO晶体的三阶光学非线性特性。结果表明：在线偏振光和径向偏振光激发下，不同晶面和掺杂的ZnO晶体均呈现出非线性饱和吸收效应和自聚焦效应，由ZnO晶体中缺陷态的电子跃迁导致。飞秒线偏振光激发时，ZnO［101］的三阶光学非线性效应最强，由ZnO晶体中变窄的能量带隙引起的近共振增强的三阶光学非线性导致；而在径向偏振光激发下，ZnO［110］的三阶光学非线性最强，这可能是由较窄的能量带隙和飞秒矢量激光的轴对称偏振产生的各向异性非线性共同作用造成。本研究结果在可饱和吸收体、超快光场调控与超分辨成像等领域具有潜在的应用价值。

相对于外腔半导体激光器，分布式反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)激光器的温调率较高，为实现饱和吸收稳频，需要对激光器温度进行精密控制。分析了饱和吸收稳频系统的控温需求，基于MAX1978芯片设计了精密温控系统；利用恒流源对测温电桥电路进行了线性优化，利用遗传算法对模拟PID电路参数进行快速整定，系统最终实现0.2mK的控温稳定度，比同类设计的稳定度高1~2个数量级，解决了饱和吸收谱线明显晃动的问题，具有广阔的应用前景。

利用感应耦合等离子体深硅刻蚀机与阳极键合机,制备出了应用于芯片原子钟的碱金属气室。以AZ4620光刻胶为硅片掩模,研究了深硅刻蚀后硅表面的形貌特征,对比了不同结构下深硅刻蚀速率。经过阳极键合,获得了三明治结构的微碱金属气室,并检测其饱和吸收谱线。实验结果表明:制备出的微碱金属气室在温度为80 ℃条件下出现明显的饱和吸收现象。

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。 碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响, 因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。 当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移, 且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽, 因此仅考虑压力展宽。 利用压力展宽、 频移的大小与气体压强存在的函数关系, 提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。 通过扫描碱金属原子的吸收光谱, 得到光学深度曲线, 并用洛伦兹函数对其拟合, 测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移, 再根据已知的单种、 单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移, 联立计算得到多种气体各自的压强。 当存在n种碱金属时, 最多可以测量4n种混合气体的压强。 仿真结果表明, 该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况; 激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时, 测量精度影响低于0.4%的数量级, 而温度波动在1%～10%的数量级时, 测量精度影响高达30%的数量级。

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP 芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中，环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析，使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析，合理设置反馈电路，实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析，发现带宽拓展后，在傅里叶频率为5 kHz处对频率噪声的抑制度达到了20 dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频，测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声，测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量，通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后，测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度，Allan方差在平均时间1 s时达到4.52×10-12，在平均时间20 s时达到1.65×10-12。

设计了由超低膨胀玻璃材料制作的光学法布里珀罗(F-P)腔及其真空控温系统, 通过双重控温系统实现了F-P腔在环境温度为10~40 ℃范围的精确控制, 该系统在 24 h内的温度波动约为±0.004 ℃。通过分析F-P腔的共振频率和铯原子饱和吸收谱, 获得了F-P腔的共振频率和腔体材料膨胀系数随温度的变化。通过对测得的数据进行拟合, 可以精确确定零膨胀温度为29.286±0.057 ℃。所提出的温度控制系统有望获得热稳定度为3.494×10-14的光学频率标准。

设计并实现了一种低功耗、小型化、可长期稳定运行的自动稳频激光系统。通过设计并实现高效率、低纹波的电压源，较大幅度地降低了整个系统的功耗和体积；通过设计并实现高性能温度控制电路、电流控制电路和稳频电路，得到了线宽较窄、频率稳定度较高的输出激光。该系统能够自动长期稳频，输出激光线宽约为1 MHz，稳定度指标为秒稳定度1.43×10-10，十秒稳定度3.90×10-11，百秒稳定度1.28×10-11，千秒稳定度2.25×10-11。在稳定度略优于商用外腔半导体激光器的前提下，该激光系统电源体积缩小了约85%，整机功耗降低了约90%，为实现半导体稳频激光系统的低功耗和小型化提供了一种新的方案。