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铯束原子钟自上个世纪50年代首次研制成功，已被广泛用于守时、卫星定位、高速通信等与人们生产生活兮兮相关的各个领域。商品化的小型铯束原子钟技术主要由西方国家把持，并已经接近极限。上个世纪70年代，光抽运铯束原子钟技术的提出，为进一步提高铯束原子钟的性能提供了一种切实可行的办法，并被各国广泛研究。例如世界上的发达国家，包括法国、美国、日本、加拿大、瑞士、韩国等国都参与了研制光抽运铯束原子钟。而我国在铯束原子钟研究方面起步较晚，技术较为落后，而生产生活的迫切需求需要我国尽快掌握小型化铯束原子钟的关键技术，并研制出商用的铯束原子钟。鉴于此，北京大学自上个世纪80年代末就开始了光抽运铯束原子钟的研究，并在国际上首次提出了斜光抽运等新型的技术实现方案，且取得了很大的进展。2007年，由北京大学小组研制的小型化光抽运铯束原子钟已经基本达到5071普通管的水平，为进一步实现光抽运原子钟的研制奠定了坚实的基础。由于之前的小型化铯束原子钟的自动化水平还不高，集成度还不够，以及稳定度指标还与商用要求存在一定的距离，为了进一步提高原子钟性能。本文首先从理论和实验上充分分析了影响原子钟稳定度的噪声因素，并着重于影响原子钟短期稳定度的各个因素做了定量计算和实验验证。并根据理论指导，设计了新一代的光抽运铯束原子钟，其短期稳定度达到了5071优质管水平，长期稳定度也超过了5071标准管的水平，并且集成度和自动化程度达到了商品化原理样机的要求。 本论文的主要工作包括如下几点 (1)从理论和实验上重点分析了影响光抽运铯束原子钟短期稳定度的各个因素，分析了光抽运原子钟的稳定度极限，提出了改进当前光抽运铯束原子钟性能的有效办法。 (2)在理论的指导下，成功设计和搭建出小型化光抽运原子钟系统，新系统比原系统有了更高的稳定度和准确度，短期稳定度达到7.5e-12/√τ，与5071优质管相当，准确度达到1×10-12/√τ量级，并且寿命比5071优质管更长。 (3)设计并搭建了一整套测量激光线宽的实验装置，利用2Km的多模光纤作为延时光纤，可以测量线宽大于300KHz的激光器线宽，为设计建造光抽运铯束原子钟提供了有用的工具。 (4)设计并制作了小型化的光抽运铯束原子钟微波电路，微波电路能够自动扫描和单点输出，扫描得到的Ramsey花样信噪比大于2000，与实验室伺服系统配合得到的短期度为2×10-11/√τ，为未来光抽运铯束原子钟的小型化在电子学上的改进提供依据。