超稳激光是精密测量领域的关键工具，其频率稳定度很大程度上取决于频率锁定稳定度。笔者理论研究了干涉效应对锁频误差信号的影响，并通过实验研究了降低干涉效应的方法，以提高激光的频率锁定稳定度。经过优化后，锁频系统的锁定稳定度相对于参考腔线宽达到了9×10-7。在参考腔线宽为21 kHz（精细度为7.5万）的情况下，将1.5 μm激光的频率稳定度锁定到4.0×10-16水平，接近10 cm参考腔的热噪声极限。本文所提降低干涉效应的方法是研制稳定度高达10-17水平的超稳激光器的重要参考。

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10 -16和8×10 -15,频率噪声降低至8×10 -3 Hz 2/Hz@1~10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。

光晶格钟需要高稳定度的超稳激光, 而超稳激光的频率稳定性受限于超稳腔的热噪声和温度涨落, 因此, 降低超稳腔的温度涨落对于超稳激光的频率噪声达到热噪声极限具有重要意义。分别从时域和频域上分析了达到热噪声极限对超稳腔温度稳定性的要求, 设计了超稳腔控温系统, 其包括一层被动隔热、两层主动控温的超稳腔真空系统和主动控温装置; 找到了超稳腔的零膨胀工作温度; 测量了真空隔热系统的温度传递时间常数(3.6 d); 监测了真空腔内主动控温层11 d的温度涨落(<1 mK)。通过实验测量和理论分析, 在频域和时域上分别计算得到了超稳腔的温度波动, 确定了千秒内的温度涨落引起的频率噪声均在热噪声极限以下。利用磁光阱产生的199Hg冷原子的钟频跃迁光谱测得超稳腔的长期温度漂移为4.2 kHz/d, 符合Hg原子光晶格钟的要求。

搭建了一套光纤相位噪声抑制系统。通过环外自拍频, 得到噪声本底的秒级频率稳定度为6.8×10-18, 2000 s平均时间后达到2.3×10-19。利用该系统可实现窄线宽激光频率在1.6 km实际光纤链路中的传输, 传输后环外自拍频信号的秒级频率稳定度可达1.2×10-17。基于连接两个实验室的808 m实际光纤链路, 将此系统应用于1.5 μm超稳激光的比对, 通过拍频测量得到激光线宽为(0.54±0.15) Hz, 秒级频率稳定度为1.2×10-15。