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本文介绍了作者攻读博士学位期间在积分球冷原子钟系统性能优化过程中所参与的工作。包括对限制积分球冷原子钟频率稳定度的噪声的抑制以及一些提高原子钟稳定度水平的新的实验方法的研究等。频率稳定度是衡量原子钟性能水平的重要指标。对于积分球冷原子钟而言，限制其短期稳定度的因素主要来自于原子散粒噪声，探测光的功率、频率噪声，Dick效应以及反馈环路噪声。为了减小这些噪声对原子钟稳定度的影响，我们采用了四束冷却光底面注入柱形冷却腔的方式来增加参与微波作用的中心区域冷原子数量;应用了探测光功率稳定伺服环路和窄线宽激光器作为探测光光源;同时缩短钟周期并提高微波作用占空比来减小Dick效应的影响;引入了新的数字电压控制链路来反馈本地振荡器减小由于反馈的模拟电压信号带来的频率噪声。长期稳定度主要受限于微波腔牵引效应以及由温度起伏引起的微波系统，光学系统，电子学系统内各个参数的长期漂移。我们发现冷却光对于微波腔的加热效应非常明显并且会显著影响微波腔的共振频率。因此冷却光的功率起伏也会通过微波腔牵引效应影响原子钟频率稳定度。我们增加了冷却光功率稳定控制环路来减小冷却光功率起伏。由于积分球冷原子钟内冷原子团的分布决定于冷却光的功率以及注入方式，因此更稳定的冷却光也有利于减小微波腔中心区域冷原子数的起伏。除了在真空腔外部采用加热线圈对微波腔进行温控外，我们将整个物理系统以及探测光功率稳定和钟信号探测光路进行了整体温控，物理系统和探测光功率的长期稳定性得到进一步提高。在上述改进之后，积分球冷原子钟的短期稳定度优于5.0×10-13τ-1/2，测试得到的Ramsey信噪比为1200，与喷泉钟比对积分时间200000 s时稳定度达到了1.9×10-15。为了进一步提高积分球冷原子钟的短期稳定度水平，我们分别尝试采用相位调制和偏振探测的方案来获得高灵敏度和高对比度的鉴频信号。通过相位调制实验获得了中心频率幅值在零点的Ramsey条纹并将鉴频信号的灵敏度提高了1.6倍，通过偏振探测实验得到了对比度大于95％的Ramsey条纹。