本文旨在研究钙原子束高信噪比光谱,利用相关技术提高谱线信号的信噪比,为建立高稳定度的小型钙原子束光频标系统奠定基础。　　本文首先介绍了时间频率标准的基本概念,并回顾了量子频标的发展历程,重点介绍了其研究前沿即高性能的光学频率标准的研究,分析了本文研究的小型钙原子束光频标的背景和意义,并具体介绍了基于转移探测技术和基于受激发射原理两种方案的基本原理。　　建立了小型钙原子束光学频率标准的实验系统,具体包括:钙原子束真空系统,真空度为10-7Pa,并得到钙原子束流量达到8×1010/s,原子束的发散角0.750;倍频423nm激光器,频率稳定在钙原子1S0能级至1P1能级跃迁谱线上,抑制功率噪声达到0.3％;窄线宽657nm激光器,外腔657nm激光器线宽650kHz,利用PDH方法压窄线宽后达到kHz量级,稳定工作时间提高到几个小时。重点研究了镀减反膜外腔激光器的多阈值现象,分析了镀减反膜半导体管的特性,研究了多阈值现象的特征及基本原理。　　利用转移探测技术方案,获得基于转移探测技术的钙原子荧光谱和饱和吸收谱信号,分析谱线信号信噪比分别达到1.8×104和0.7×104,超过了传统钙原子谱线信噪比,基于此方案的小型钙原子束光频标稳定度可达2.8×10-13(1s),达到商品氢钟的水平。文中介绍了激光与钙原子束作用的基本原理;建立了该方案的实验系统;单束657nm激光与钙原子束作用荧光谱和两束657nm激光作用饱和吸收谱,并详细分析了谱线的线宽、信号强度、谱线的漂移和谱线的信噪比,其中信噪比的提高是基于转移探测技术方案的关键,最后分析推出基于该方案建立的光频标的性能指标,指出目前的技术瓶颈并提出进一步提高该方案光频标稳定度的方法。　　基于受激发射原理方案中,提出了基于原子束、磁光阱、离子阱和光晶格几种方案的主动光频标的基本原理,并对几种方案进行比较和分析。实验中选用了基于钙原子束的受激发射原理的方案,建立了该方案的实验系统,即利用657nm激光泵浦钙原子束实现3P1(m=0)能级粒子数占总原子数的48.7％,1S0能级粒子数占总原子数的29.1％,即实现了上下能级间布居数反转条件,为实现主动光钟奠定了关键技术基础。实现了其中的关键技术之一,即657nm激光泵浦钙原子实现粒子数反转。