在各种冷原子干涉测量系统中, 磁光阱(Magneto Optical Trap, MOT)、补偿及偏置磁场控制是不可或缺的关键技术, 稳定、快速的磁场控制直接影响着原子冷却囚禁、干涉等过程中原子团的精密操控。设计了一套高性能的精密磁场控制系统, 电路结构上通过采用精密放大器驱动的低噪声恒流源拓扑, 以降低磁场驱动电流的噪声水平; 控制方式上采用模拟PID+扰动抑制的控制策略, 以提高磁场驱动电流的开关速度。实验室环境下测试结果表明: 当磁场驱动电流输出为1 A的情况下, 电流开启时间优于300 μs, 关断时间优于50 μs, DC(0 Hz)~250 kHz频率范围内总体电流噪声优于-80 dB。最终, 通过在冷原子绝对重力仪/重力梯度仪与冷原子陀螺系统中的应用测试, 所设计的磁场控制模块满足了冷原子干涉系统控制需求, 达到了预期效果。而且通过自主研制, 解决了对商用磁场控制模块的依赖, 促进了量子测量装置的装备化。

实现了具有最轻质量碱金属⁶Li的冷原子干涉仪，并通过精确测量其反冲频率初步获得精细结构常数。为了克服⁶Li原子的总角动量为半整数所导致的对磁场敏感的困难，提出一种磁不敏感Raman跃迁，实现了垂直Raman光的共轭Ramsey Bordé型原子干涉仪，其相干时间超过2.3 ms。通过几何关系用四组干涉仪消除Raman光束之间角度带来的误差。测量得到的反冲频率ω_r为2π×73672.789（36）Hz，精细结构常数为1/137.035976（33），是迄今为止基于冷原子干涉仪对⁶Li反冲频率的最精确测量。⁶Li冷原子干涉仪的实现不仅丰富了原子干涉仪的元素，而且由于其反冲频率大的特点，在精密测量领域具有极大的潜力。

提出基于平顶复合光脉冲构建大动量原子干涉仪的方案。利用大动量原子干涉仪灵敏度函数解析模型，对大动量原子干涉仪的对比度和相位噪声进行分析。将平顶复合光脉冲应用于原子干涉仪进行仿真计算，结果表明平顶光相比高斯光可提高原子团跃迁的一致性，增加原子干涉条纹的对比度。通过设计对称反向的复合脉冲序列，抑制多脉冲作用过程中相位噪声和振动噪声的干扰。数值仿真结果表明，相比高斯光脉冲，使用平顶复合光脉冲的大动量原子干涉仪的灵敏度提高了1个量级，同时具有较好的抑制环境噪声的能力。

重力梯度仪在资源勘探、地球物理研究、自主导航等领域有重要的应用价值。原子干涉重力梯度仪是一种新型的高精度测量仪器，小型实用化是其实现广泛应用需要解决的核心问题。本文设计实现了1套可测量水平分量的小型高精度原子重力梯度仪。该仪器采用全石英材料真空腔体与附件框架相结合的技术方案，使得探头部分的体积降低到105 L，采用模块化双面光路结构，使得光学单元的体积降低为36 L，因而具有十分优良的可搬运性能。在实验室条件下，该原子重力梯度仪的测量灵敏度为320 E/Hz，测量分辨率为3.3 E@4800 s (1 E=1×10^-9 s^-2)。

为了减小原子重力仪的体积来提高其实用性，基于电光相位调制器的拉曼光是一个很有吸引力的方案。但是会因此产生额外的激光边带，对绝对重力测量带来很大影响。为了保证绝对重力测量准确度，针对贡献最大的拉曼光多余边带效应，通过理论模型与调制实验相结合的方式，实现其对重力测量影响的优化与评估。实验结果证明了多余边带效应评估方法的准确性，并将其不确定度评估至20 μGal。

原子物质波的干涉现象是原子物理和量子光学的一个重要分支, 肇始于原子在晶体表面的衍射和原子钟中的分离场技术。由于极高的稳定性和准确性, 原子干涉已成为一个成熟而强大的工具, 在现代科学技术中特别是在惯性测量领域都有非常重要的应用。回顾了原子干涉仪中用到的相干动量操控技术, 包括 Raman双光子跃迁、Bragg衍射以及Bloch 振荡等, 并在此基础上进一步总结了大动量转移技术的实现方式, 对比了不同方式的优缺点, 重点介绍了各种方法的使用范围及最新研究进展。

冷原子干涉实验中涉及复杂的激光调制技术, 为调制器提供合适的射频驱动信号至关重要, 驱动信号的相噪直接影响了冷原子干涉仪的灵敏度。设计了一种能够产生6.834 GHz信号的低相噪信号源, 该信号源采用二级锁相环频率合成技术, 将恒温晶振输出的10 MHz信号倍频到100 MHz, 再将100 MHz信号倍频到7 GHz, 最后与外部DDS芯片产生的166 MHz信号混频实现6.834 GHz微波信号源。经过测试, 信号源的输出相位噪声为-61.9 dBc/Hz@1Hz, 满足冷原子干涉实验的需求。