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腔量子电动力学（腔QED）主要研究受限在微腔中的光场（电磁场）与原子的相互作用。通过研究在微米乃至亚微米尺度上单原子与光场的作用，可以帮助人们认识原子-光子纠缠的动力学过程。自20世纪90年代以来，随着高品质光学微腔与原子激光冷却与俘获的结合，原子与光子的相互作用达到强耦合。由原子、光子和几乎无损耗的腔构成的系统组成了一个介观量子系统，该系统可以研究单粒子的量子行为，已经成为探索量子物理世界若干非经典行为的重要工具，而且在量子态的制备以及量子计算和量子通讯等领域具有重要意义。 然而这些工作都建立在光学腔中中性原子俘获的基础之上，能否实现光场与原子的强耦合的一个关键因素就在于对单原子的控制能力。随着冷原子操控技术的发展，人们可以有效地将原子冷却至接近绝对零度，还可以通过光学偶极力阱实现单个原子的操控。而对原子的这些控制都是通过激光来实现的，半导体激光器对实现原子的控制至关重要。本文研究了半导体激光器的线宽和位相噪声特性，并且结合实验小组的前期工作积累，采用双磁光阱方案实现了中性原子冷却和俘获的双磁光阱，并完成原子输运过程。为实现通过微腔中的驻波场形成的光学阱对原子的控制，奠定了基础。 论文的工作主要包括以下四方面:第一，结合原子的冷却与俘获实验，研究了我们所用半导体激光器的工作原理及其线宽特性;第二，研究在反馈条件下，半导体激光器的相位噪声特性;第三，在气室磁光阱基础上，实现了铯原子的双磁光阱激光冷却与俘获及其相应参数的测量。第四，初步确定了对单原子与光场相互作用的测量方法，对发展前景做了展望。 具体工作如下: 1、对半导体激光器的工作原理作了比较系统的介绍，通过两种不同的方法测量了LD输出的线宽，比较了这些方法的特点;研究了外腔反馈半导体激光器的（最佳）工作方式，建立了一套采用Littrow方式工作的光栅外腔反馈可调谐半导体激光器; 2、研究了外部光学反馈对半导体激光器的噪声的影响。使用外腔振幅-位相噪声转换的方法系统地测量了外部光学反馈时（即自混合干涉效应中）LD的相位噪声，克服了测量系统的不稳定性，通过扫描腔等获得了位相噪声的定量结果。研究表明在实验给定条件下，LD的相位噪声降低了约20dB。这项研究为分析光场噪声对原子的影响，特别是讨论作为探针光场的半导体激光器较大位相起伏对高品质微腔中原子辐射性质的影响; 3、改进、完善了计算机程序控制、铯原子激光冷却与俘获实验及测量所必需的时序控制系统。通过连接压控振荡器和声光调制器、机械开关，实现了磁光阱光场、磁场及探测光场等物理量的自动时序控制，为实现铯原子双磁光阱以及腔QED实验中对原子的控制以及原子参数的测试提供了保障; 4、参与建立了一套铯原子双磁光阱以及用于腔QED的超高真空铯原子气室。该系统可以将上下两级气室真空度分别维持在1.0×10-6 Pa与8×10-8 Pa左右，可以满足铯原子气室磁光阱的要求; 5、采用经过改进的冷却俘获光的方案，搭建了铯原子双磁光阱的光路系统。利用连续光输运原子的技术，实现了超高真空气室中铯原子的双磁光阱。超高真空气室每束冷却俘获光的光强约为12.7mW/cm2，失谐量为-12MHz，轴向磁场梯度约为8G/cm。利用短程飞行时间吸收谱方法确定了气室中冷原子的等效温度约为41±4μK; 6、完成了超高真空气室中铯原子的偏振梯度冷却，得到了温度更低、动能更小的冷原子样品，为实现对原子更好的控制和原子-光场的作用提供了实验基础。Molasses冷却光束的强度约为2.5mW/cm2，失谐量为-50MHz，持续时间为2ms，冷原子样品温度约为10μK。 7、对基于现有实验条件下实现单原子控制的基本途径和可能的结果进行了分析。包括微腔的控制、激光频率链和单原子测试的基本方案和方法等，并对该原子控制系统的未来发展做了展望。