近年来随着中性原子光钟的频率不确定度及稳定度显著提高,围绕中性原子光钟的研究越来越广泛。由于光钟相关技术的发展,光钟不仅仅局限于时间频率基准的研究,而是更多的被当做一种科学工具使用。作为最有竞争力的下一代时间频率基准之一——锶原子光钟,在时间频率基准的研究中占有非常重要的地位,是值得科研人员去探究的,而利用锶原子光钟作为探测基本物理常数,引力场以及其他量子物理现象方面所取得的研究进展,也成为目前光钟研究的重点和热点。目前实验室光钟的研究还大部分在对于光钟性能的研究,例如光钟频率不确定度和稳定度方面,尽管世界范围内各个研究小组在光钟性能评估方面有突破性的进展,尤其是美国NIST的Ye Jun小组对于光钟频率的测量精度已达10^-19量级,这不仅使得锶原子光钟成为下一代秒定义推进一步,同时也使得人类在频率控制方面取得了长足的进展。该结果证明了人类对于光钟的研究技术已经趋于成熟,也说明人们对于光钟的研究目标已由光钟技术的突破逐步走向光钟技术的实际应用。因此对于光钟系统的优化,使其更加适用于各种实际应用中,这一研究课题将在未来的光钟的发展领域中占据重要部分,尤其是光钟小型化,可移动化和空间化方面,未来的光钟系统将更加注重其系统的应用价值。本文的主要研究内容是⁸⁷Sr光晶格钟系统的优化和及其重要应用——空间光钟的研究,在⁸⁷Sr光晶格钟系统的研制中,制备冷原子各个阶段的优化,最终在光钟系统性能以及技术方面得到提升。在光钟系统的一级冷却、二级冷却、光晶格装载、光钟的闭环以及稳定度的测量,本文将逐一对各个方面系统的优化进行介绍。在系统优化中,本文完成以下工作内容:1、本文首先就搭建新光学原子钟系统的设备优化进行探讨,对光钟的物理系统设计进行了工程化和集成化设计,对下一代光钟以及空间光钟的物理系统搭建具有指导意义。在原子束减速即Zeeman减速的研究中,研究了截止速度对于一级冷却的影响,对Zeeman减速器设计参数选择进行分析,根据建立的估算被原子束减速后原子俘获模型,提出了适合于减速器设计的可行性方案,该结果对系统能耗降低和集约化设计有相应的指导意义,在减速效果方面实现了原子最可几速度由500m/s到约50m/s的减速结果。在一级冷却方面,本文进行了激光频率转换,光路设计,一级冷却重泵浦光分析以及一级冷原子团的温度测量,得到了一级冷却温度为5 mK以及原子数目为2.3×10⁷的评测结果,比优化前原子样品的数目增长10倍以上。最终制备的冷原子用于进行下一阶段的红MOT装载。2、在二级冷却即窄线宽冷却方面,本文调研了该冷却的研究背景和国际上各小组的研究内容,对窄线宽冷却的研究意义以及其带来的研究前景进行了分析。通过调研和分析的结果,本文就窄线宽冷却的影响因素（包括饱和因子和激光的失谐量）进行了分析,并进行了相应不同参数值下的模拟计算,在计算结果与实验现象的对比中,凸显出窄线宽冷却在实验操作中的现实意义。在本文中的窄线宽冷却中,由于冷却原子样品⁸⁷Sr具有复杂的能级结构,除俘获光外还需要添加匀化光作为辅助冷却激光。对于匀化光的添加,本文从两个方面进行了简单的分析,分析结果为匀化光和俘获光的在实验中的频率调节以及失谐量的调节指明了方向。最终在匀化光的作用下,实现了二级冷却原子温度约为4?K以及原子数目达3.5×10⁶。在超低温原子中,为了探究光与原子的相互作用,本文实现基于费米子⁸⁷Sr中的动量空间晶体,在研究过程中,在动量空间和坐标空间对动量空间晶体进行了模拟,对其演化过程进行分析和总结,在实验中对演化规律进行了逐一的验证,结果保持一致。验证结果表明初始建立的动量空间晶体的模型计算是合理的,推进了动量空间晶体的研究工作。3、本文的工作还集中于空间光钟的优化和空间光钟原理样机的研制。空间光钟技术作为未来科技的代表,实现将目前庞大的地面光钟系统放置在空间站上,并实现光钟的可操作性,这一工作是艰巨的。在地面平台光钟向空间光钟发展中,对于光钟系统进行深度的优化,方可达到空间站的运输以及运转的要求。在优化方面本文进行了MOT线圈的内置、原子加热炉的内置以及永磁体Zeeman减速器的实现,上述的优化对空间光钟的小型化、空间化有重要的意义。在空间光钟的原理样机研制阶段,结合对光钟系统的优化,对空间光钟这一子系统进行关联分析,对于空间光钟原理样机的研究意义进行了探讨,另外关于原理样机的设计与光学系统的优化,本文进行了理论原理的研究和实验结果的分析。最终本文实现了两代空间光钟原理样机研制,还实现了空间光钟的模态分析、六性分析等关键性技术的研究。该样机的研制成功证明了空间光钟在物理真空系统上实现空间化,是具有可行性的。