通过调制转移光谱稳频的方式，将外腔半导体激光器频率锁定于⁸⁷Rb原子D₂线超精细跃迁5²S_1/2，F=2→5²P_3/2，F=3，使激光器线宽由自由运转的382.18 kHz压窄至稳频后的37.94 kHz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光，可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^-14 τ^-1/2。

高精度空间冷原子钟在基础物理研究、导航定位系统,以及深空探测领域均有重要应用。为此,设计了一种结合激光冷却与原子原位探测方案的新型微波腔,在该微波腔中心可以俘获与冷却铷原子,然后在微重力环境下对冷原子样品开展原子钟操作。该方案相对于已有的空间冷原子钟方案,在减少冷原子损耗、死时间占比和分布腔相移上具有较大的优势。分析了微波腔的详细结构与光学设计,确定了微波腔需要的基本参数,并对微波腔内部的微波磁场进行了仿真分析。在已完成研制的微波腔内开展特性测试,测试与仿真结果说明,所设计微波腔的性能可以满足不确定度优于1×10 -16的高精度空间冷原子钟的要求。

用于激光冷却与原子布居数探测的激光光源是冷原子钟的重要组成部分,选用工业技术成熟的1560 nm光纤激光器和光纤放大器分别作为种子源和光放大器,经非线性倍频晶体对放大后的激光进行倍频,得到较大功率的780 nm的激光,通过饱和吸收稳频得到冷却激光,一部分冷却激光利用电光调制器和声光调制器移频6.8 GHz得到重泵浦激光,对上述激光进行适当的功率分配后提供给冷原子钟。对该套激光装置关键器件进行了特性测试,将稳频后的倍频激光与锁定在超稳激光上的光学频率梳进行拍频,得到的激光的线宽在74 kHz左右,其短期稳定度比外腔半导体激光器提高半个多数量级。将这样的激光光源应用于冷原子钟,可以减小探测激光频率噪声对喷泉钟稳定度的限制。

在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10 ^-14τ^-1/2的稳定度以及1×10 ^-16的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。

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。

建立了微瓦量级的激光功率自动稳定实验装置，通过自动反馈控制声光调制器的衍射效率，实现了激光功率的自动稳定。激光功率稳定后，激光相对强度噪声得到有效抑制，接近散弹噪声极限，激光功率的长期稳定度优于2×10-5(1000 s)。推导了功率自动稳定系统的环路方程，分析了激光功率稳定环路对相对强度噪声的抑制作用。稳定后的激光应用于积分球冷原子钟的钟跃迁探测，对原子钟稳定度的影响小于1×10-13τ-1/2，积分球原子钟的频率稳定度优于5×10-13τ-1/2(τ为取样时间)。

报道了一种新的测量大尺度冷原子团温度的方法。这种方法利用反亥姆霍兹线圈产生四极磁场，探测光沿着竖直方向逐点测量冷原子团的分布情况，获得冷原子团在不同自由下落时间下的密度分布曲线，进而拟合出冷原子团的温度值。通过实验，利用这种方法测量了积分球中冷原子团的温度，为73±12 μK，并与飞行时间(TOF)方法的测量结果进行了比较。