激光频率精密控制是精密光谱和精密测量的基石,激光频率的控制精度在很大程度上决定了精密光谱与测量的分辨率与精度。经过频率精密控制的激光,具有线宽窄、频率稳定度高的特点,它是新一代时间频率标准-原子光钟、高分辨率光谱、引力波探测、低噪声微波源和光学频率合成器等研究的关键部分。这些应用迫切需要频率稳定度更高、线宽更窄的激光。如将窄线宽激光的频率不稳定度从10^-15提高至10^-16,可将光钟的频率稳定度提高一个数量级,从而能使光钟实现10^-18精度的测量时间从10⁶秒（连续11天以上）减小至一天之内。对于精度更高的光钟和用于空间引力波探测的超长（大于10⁸米）激光干涉仪,还需要10^-17甚至10^-18频率不稳定度的窄线宽激光。为了这个研究目标,本论文在实验上实现了频率不稳定度为10^-16的稳频激光,并在理论上探索如何实现10^-18频率不稳定度的窄线宽激光。在实验上,为了突破参考腔的热噪声限制的激光频率不稳定度在10^-15量级,本文搭建了两套热噪声限制的频率不稳定度为1.6 x 10^-16的F-P光学参考腔系统。采用PDH技术将578 nm激光的频率高精度地锁定在参考腔上。为了获得频率不稳定度为10^-16的激光,本论文重点克服了环境振动噪声对激光系统产生的影响。通过数值模拟计算结合反复的实验测量,选择最佳的参考腔结构和支撑方式,最终将参考腔对外界振动的敏感度降低至5 × 10^-10 g^-1以下,此时振动噪声的贡献接近参考腔的热噪声极限。并且,为了提高激光频率的控制精度,设计了低剩余幅度调制的电光调制器,研制了光纤传输位相噪声抑制系统、高稳定度光功率控制系统和高精度激光频率伺服系统,使得这些噪声对激光频率不稳定度的影响均小于10^-16量级。最后,通过两套稳频激光系统之间频率比对测试,证明每台激光的线宽已压缩至0.2 Hz,频率不稳定度达1.8 x 10^-16（1秒积分时间）,已接近光学参考腔热噪声限制的频率不稳定度。由于受参考腔热噪声的限制,目前利用PDH技术将21 cm单晶硅腔冷却至124 K下获得的激光频率不稳定度为4 x 10^-17,为获得10^-18量级频率不稳定度的稳频激光在技术上是一大挑战。于是,本论文提出了基于冷锶原子系统的四波混频过程产生超窄线宽稳频激光的新方案。由于锶原子的钟跃迁能级具有mHz量级的自然线宽,在四波混频过程中在三束入射光相干极化的作用下,可产生线宽窄、频率稳定度高的混频激光。混频光的线宽将受限于钟跃迁能级的自然线宽而不是入射激光的线宽。最后,通过半经典模型的理论分析,当功率不稳定度为10^-4量级的入射光（具有· Hz线宽）与光晶格中密度为1 × 10¹¹ cm^-3的原子相互作用,可产生具有pW量级功率、线宽为4 mHz、频率不稳定度达2 × 10^-18的混频激光。该方案为下一步开展实验研究提供了理论依据。