精密光谱测量常用于检验物理理论和测定基本物理常数,是增进人们对客观世界认识的一个重要途径。氦原子是最简单的多电子原子,在许多物理现象的研究方面,都是一个理想的研究对象。由于氦原子核外有两个电子,其能级即使在非相对论极限的情况下也没有准确的解析表达式,而必须通过无穷级数逐级逼近的方式来表征,氦原子能级理论对于发展多电子原子体系的量子电动力学(QED)理论非常重要。相对于氢原子,氦原子的精细结构分裂在理论上更难精确计算,但在精密测量方面氦原子有其内在的优势：其精细结构能级间隔是氢原子的3倍(氦原子30GHz,氢原子10GHz),能级寿命是氢原子的60倍；4He原子的核自旋角动量为零,没有超精细结构,因此比1H原子的能级结构更简单；此外氦原子也可通过激光冷却技术进行减速和偏转。这些特性使得氦原子精细结构精密光谱测量在测定精细结构常数上有更大的优势。结合最新的理论计算,光谱测量300Hz的频率精度就可以使精细结构常数的测定精度达到5ppb。本论文发展了一套利用红外激光激发初态选定的单量子态原子束流的方法来测量氦原子精细结构精密光谱的实验装置。亚稳态氦原子束流经激光横向冷却和二维光学黏团的压缩、准直作用以提高束流强度；利用激光偏转将三态亚稳态氦原子与束流背景分开；再结合激光抽运和梯度磁场偏转,实现单量子态的选择和探测。本文对氦原子23J态中J=1到J=2之间的精细结构分裂进行了测量,初步的测量结果为V12=2291177.4(1.0)kHz。以下是论文的内容安排：第一章介绍氦原子精细结构理论计算和实验测量的历史和现状；第二章详述实验装置,包括亚稳态氦原子束流的制备、激光横向冷却压缩、二维光学黏团准直、激光偏转与选态、以及光谱测量等内容；第三章是实验数据分析和系统误差修正,以及最终测量结果；第四章为实验总结与进一步展望。