铯喷泉钟作为具有超高稳定度的基础频标系统,在基本物理常数测量、相对论检验、卫星导航定位、国际原子时等领域有着重要的应用。铯喷泉钟主要由光学系统、真空物理系统、微波综合链路、电子学控制系统这四部分组成。本论文围绕铯喷泉钟光学系统的优化展开,作者研究期间的主要工作包括:（1）可调光纤扩束器标校,（2）探测光功率稳定。可调光纤扩束器是铯喷泉钟磁光阱的重要组成部分。扩束器的性能指标决定了俘获原子云的大小、形状、密度、位置及俘获原子数目,从而影响铯喷泉钟的频率稳定度。为了提高频率稳定度指标,本文从扩束光发散角、光束指向角、光斑均匀性和圆偏振光消光比四个方面对扩束光特性进行了测量和优化调节。经标校后,扩束器的光束发散角小于1 mrad,光斑指向偏角小于0.9 mrad,光斑在磁光阱中轴面的偏心量小于0.2 mm,圆偏振光消光比小于1.0 d B。将优化后的光纤扩束器应用于磁光阱中,俘获的原子数从10~7量级提升至10~8量级,原子回落比从5.6%提高至7.7%。原子数的提升抑制了铯喷泉钟的量子投影噪声和光子散粒噪声。其中,量子投影噪声从4.4×10-14τ-1/2优化至1.7×10-14τ-1/2。原子双能态探测过程中,探测光功率抖动会引起探测原子数的涨落,影响铯喷泉钟的频率稳定度。采用光纤集成的功率监测器进行光功率稳定实验,并搭建双通声光调制衍射光路,通过控制压控衰减器的偏置电压改变声光调制器的衍射效率,从而实现光功率的反馈控制。使用PID算法闭环后,光功率的抖动幅度被抑制到0.12%,将探测光功率抖动引起的探测噪声从2.1×10-12τ-1/2抑制到2.1×10-14τ-1/2,总探测噪声从2.1×10-12τ-1/2抑制到1.6×10-13τ-1/2。通过对铯喷泉钟光学系统的优化,喷泉钟的频率稳定度评估可达到2.5×10-13τ-1/2水平,满足大科学工程时频标准溯源装置中对这一项建设指标的要求。