随着协同冷却、边带冷却和量子逻辑谱等技术的不断发展,光频标的候选离子种类更加广泛,如115In+和27Al+。铝离子光频标的品质因子Q = 2×1017,无电四极频移,—阶和二阶Zeeman频移分别在10 kHz/mT和10 H2/mT2量级,并且目前在光频标的候选离子中,铝离子对黑体辐射最不敏感。但由于目前激光技术的限制,铝离子多普勒冷却的激光167 nm很难实现,需要采用协同冷却的方法实现离子的冷却。美国国家标准局NIST在2010年实现了两台铝离子光钟的比对,采用的辅助离子分别为9Be+和25Mg+,相对频率不确定度为8.6×10-18,这是光频标首次进入10-18量级。由于40Ca+离子的能级简单并且所有涉及的激光都可以由半导体激光器直接输出,因此我们选择40Ca+作为协同冷却的辅助离子。本人在研究生阶段搭建了铝离子光钟系统,实现了钙铝离子对的囚禁和协同冷却,并在此基础上利用边带冷却的方法将钙铝离子对冷却到了振动基态。本文对所做的工作进行总结,主要分为以下几个部分:1.搭建了铝离子光钟系统,主要包括线性离子阱、真空系统、射频囚禁场和激光器系统。2.基于有限元模拟的方法对FP腔的振动和热膨胀特性进行了深入分析,设计了一套具有低振动敏感度和温度拐点补偿的超稳腔。搭建了729 nm窄线宽激光器系统,拍频测量激光线宽达到1 Hz水平。3.在真空环境中利用线性Paul阱实现了单个钙离子的囚禁和了Doppler冷却,在无冷却激光条件下离子可以被囚禁5天以上。4.实现了暗离子的囚禁和协同冷却,根据离子间距确定了暗离子的数目,并通过宏运动边带谱的精确测量确认了暗离子为铝离子。5.利用边带冷却的方法将单个钙离子的轴向宏运动冷却到了振动基态,平均振动量子数为0.05,基态占有率为95.2%。6.实现了钙铝离子对轴向宏运动质心模和呼吸模的边带冷却,平均振动量子数分别为0.12和 0.04。