时间和频率测量领域的进步与原子物理学的发展紧密相连。过去的二十年中,激光冷却和囚禁原子以及飞秒光频率梳技术的发展使得光谱测量和频率测量达到了极高的准确度。通过利用不受外界干扰的冷原子,铯原子喷泉钟已经成为S1秒的定义,并且原子钟现在已经成为全球定位系统的重要组成部分。但是原子喷泉钟已经几乎达到了其自身精度的极限,很难再继续提高其精度。根据阿伦方差,目前最有希望达到最高不确定度的一类原子钟是中性原子光晶格钟。因为应用于光学原子钟的光晶格可以使得囚禁原子满足Lamb-Dicke条件,从而消除钟态跃迁光谱的一阶多普勒频移、反冲频移,因此显著提高光钟的不确定度,这对于提高时间频率标准具有重要意义。本文首先基于二能级原子与激光相互作用模型,利用光学布洛赫方程,阐述了光晶格囚禁原子的原理,并且计算了实验中激光功率与囚禁原子温度的关系。若要光晶格囚禁大量的原子需要提高光晶格的激光光强,或者对原子进行深度冷却。其次本文利用多能级原子与激光相互作用模型,采用含时微扰方法分析了光晶格光场对于囚禁原子产生的光频移效应,并精确计算出一种可消除一阶光频移的光晶格最佳波长。并将其最佳波长的计算模型应用于可用作于光钟的原子,计算出镁、钙、锶、镱原子的钟态跃迁的最佳波长,其结果对于光晶格钟实验中的光晶格的波长选择具有重要的指导作用。同时,对于光晶格产生的超极化率、碰撞频移,以及光晶格的几何构形等因素进行了分析,设计出一种可能提高光晶格钟不确定度的光晶格几何构型。最后,通过利用NV色心金刚石的光学特性,本文研究设计了基于NV色心金刚石的可调谐固体激光器。该激光器体积小、无需温控,且其激光波长范围可覆盖大量应用于光钟的光晶格的最佳波长,因此可以作为产生光晶格的激光器并对于未来中性原子光晶格钟小型化有重要意义。本文完成了金刚石固体激光器理论模型的建立以及激光器的设计,为今后金刚石固体激光器应用于光钟提供了理论依据。