离子阱可以将离子长时间囚禁在一个较小的空间范围内而不受外界干扰。激光多普勒冷却被囚禁在离子阱中的离子可以将离子的平动温度冷却到mK甚至μK量级,并形成库仑晶体。利用被库仑晶体协同冷却的冷分子离子的精密光谱直接测量基本物理常数,是精密测量物理领域的前沿研究方向之一。本论文主要阐述了在分段线型离子阱中实现对离子的激光Doppler冷却与协同冷却,并形成库仑晶体的研究内容。通过测量离子库仑晶体的宏运动频率研究了离子阱的几何参数;通过对钙离子协同冷却铍离子所产生的双组份库仑晶体的研究,获得混合离子库仑晶体中离子的宏运动的变化规律。论文主要内容包括:1.设计和搭建了一个线型Paul离子阱系统。真空度为3.0×1010mbar。射频源输出电压可从0 V～210 V连续可调,射频频率从3.0 MHz～4.2 MHz连续可调,直流源为12路独立控制源,其幅值为-10 V～10 V,精度为1 mV。2.建立了电离钙原子与冷却钙离子的激光系统。实现了对397 nm与866 nm激光器的稳频,频率长期的不确定度分别为8.09E-10和8.21E-10。3.在线型Paul阱中利用冷却激光实现了钙离子的囚禁与冷却,通过位置补偿与结构补偿的结合,有效的减小了离子的附加微运动,得到稳定Ca+离子库仑晶体。4.通过测量在离子阱中离子的宏运动频率,获得了离子阱径向与轴向的几何参数的值,相对精度分别达到0.3%与0.9%。并且首次利用径向几何参数证实了线形离子阱的径向非谐性;5.在线型Paul阱中,利用被激光冷却的钙离子协同冷却铍离子,并对Ca+-Be+双组份库仑晶体中的Ca+离子与Be+离子的宏运动频率进行了测量与研究,揭示了两种离子的径向运动强耦合与轴向运动弱耦合特性。