铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于⁸⁷Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10^-12、500 s稳定度为2.88×10^-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于⁸⁷Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。

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。

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。

利用⁸⁷Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下，经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度，并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列，对由测量死时间导致的频差进行了 100 次模拟，并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下，氢钟测量不确定度的计算结果表明，由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小，且在有效运行率小于10%时，增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。

在⁸⁷Sr空间光晶格钟原理样机上实验观测了原子碰撞对谱线激发率抑制以及对谱线的展宽，并观测到由非弹性碰撞导致的原子损耗。通过简单地将原子数从6000减小至2000，实现了线宽为1.9 Hz的钟跃迁谱线，并将空间光晶格钟原理样机的稳定度提升至1×10^-15（τ/s）^-0.5。相关实验结果对研究光晶格的多体相互作用对钟跃迁谱线的影响具有重要意义。

为了提高激光陀螺测试转台的速率精度和速率稳定性, 研制了定角测时装置。该装置以高精度时钟为基准对转台轴角数据采用统一编码, 并产生度脉冲和周脉冲信号。以度脉冲为固定的角度间隔, 对时钟脉冲进行计数, 由计算机读取固定角度间隔的时间码, 并根据国标要求计算出速率精度和速率稳定性。测试结果表明, 采用该技术后激光陀螺测试转台的速率精度和速率稳定性误差减小到原来的十分之一。该技术可以有效地消除激光陀螺测试转台速率精度和速率稳定性测试环节带来的误差, 提高激光陀螺测试转台速率精度和速率平稳性。