作为最为精确的计时工具,在过去的几十年中,原子钟得到了长足的发展。与此同时,随着科学技术的不断发展和进步,传统原子钟由于体积较大且难以被小型化,在很大程度上限制了原子钟在应用领域的扩展;同时,随着各种电子器件与系统的小型化甚至于微型化的发展,传统的原子钟在例如卫星导航定位、时间定位等需要低功耗、小体积设备的应用领域也受到巨大的挑战。作为一种量子干涉效应,相干布居囚禁现象在原子频标界引起了广泛的关注。CPT原子钟具有体积小,功耗低以及结构简单等优势,在卫星导航定位、信息通信、时间同步等相关领域具有广泛的应用前景。近年来,国内外一些科研机构和企业已生产出可应用于卫星载荷以及导航用接收机的小型化和微型化CPT原子钟产品,同时基于提高CPT原子钟频率稳定度及改善信号信噪比的目标发展出了一些改善CPT共振信号质量的新方案。基于CPT效应可实现两种新型原子钟,分别为:CPT maser原子钟和被动型CPT原子钟开展了研究工作。其中,CPT maser原子钟作为一种新型的主动型原子钟,具有良好的星载性能,已被指定为下一代伽利略系统星载原子钟;被动型CPT原子钟由于没有微波腔的限制,可结合微电子机械技术(MEMS)作为芯片级微型化原子钟应用于卫星导航接收机等广泛领域。论文结合国防建设和经济建设的需求,围绕国家授时中心CPT铷原子钟的研制工作,针对CPT maser和被动型CPT原子钟的研制及关键技术开展了深入的理论和实验研究。从理论上分析了影响CPT原子钟稳定度的激光参量以及其它因素;在此研究基础上优化了系统设计方案,建立了星载CPT maser原子钟的实验装置,获得了较好的稳定度指标;针对被动型CPT原子钟,研究了提高CPT钟共振信号的新方案,为进一步实现被动型CPT原子钟实验系统打下了良好的基础。主要成果及创新点如下:(1)建立了CPT原子钟理论模型,利用该模型研究了不同实验参数对原子钟指标的影响。采用半经典理论中的密度矩阵方程来处理双色相干光与三能级原子钟系综的相互作用。在稳态的情况下求解方程,得到基于CPT的两个现象:Dark line与相干微波辐射,然后将该现象与原子钟参量关联起来,从而建立完整得CPT原子钟理论模型;基于上述模型,通过数值分析讨论了不同参量对铷原子CPT钟信号的影响,同时在实验中对这些参量的影响进行了分析;(2)对CPT maser原子钟的关键技术和实验器件进行了理论和实验研究,建立并优化了CPT maser原子钟的实验装置,获得了较好的短期稳定度指标。主要研究了通过EOM调制激光相位产生相干双色光方案,该实验方案为原子钟共振信号及微波信号的实验获取提供了幅度相等的双色相干光源,将该方案应用于CPT maser原子钟实验中;理论研究了缓冲气体的在铷原子钟中的作用,给出了铷原子泡缓冲气体配比方案;同时,研究给出了物理系统中微波谐振腔、Rb蒸汽泡、恒温加热元件以及磁场和电磁屏蔽等各部分的详细设计方案,最后形成完整的光学及物理系统的设计方案及实验装置。获得到了CPT maser标志性信号——相干微波信号,功率为-80 d Bm,线宽150 Hz;应用该相干微波辐射信号,实现CPT maser原子钟闭环实验,频率短期稳定度1.2 10-12τ-1/2;(3)针对被动型原子钟,研究了提高CPT原子钟共振信号的新方案,并获得了与传统方案相比对比度较高的共振信号,为被动型CPT原子钟的研究打下坚实的基础。研究了利用平行线偏光激励CPT共振的新实验方案。该方案消除了传统圆偏振光激励方案中由于光抽运效应形成的极化暗态,在较低的原子泡工作温度下就有较多原子参与CPT共振。实验研究结果表明,通过该方案可实现体积与传统CPT原子钟相当,功耗更低,频率稳定度更好的原子钟。实验和理论研究了利用法拉第效应及基于87Rb原子D1跃迁线的高对比度CPT共振信号获取方案,原子钟物理系统处在均匀的磁场中并置于两个相互正交的偏振片之间,平行线偏振相干光通过物理系统并与原子相互作用得到CPT共振信号,由于法拉第旋转效应,直流本底噪声信号被滤除。实验获得了对比度为18%的CPT信号,结果表明,该方案通过偏振探测方法有效消除了CPT信号直流背景,有利于提高微型化CPT原子钟频率稳定度。