小型铯束原子频标是守时型原子钟的代表,早期的磁选态小铯钟目前已经到了发展极限,其笨重的选态磁铁和寿命有限的电子倍增器严重制约了磁选态小铯钟的继续发展。使用光抽运铯束频标取代磁选态铯束频标,是该类型原子钟的发展趋势。论文首先对光抽运铯束频标的理论进行了研究,在比较光抽运小铯钟与磁选态小铯钟的特点的基础上,分析了铯原子能级制备的方法,最终选择使用了单激光进行铯原子能级的制备和检测。从理论上分析了影响原子钟输出信号准确度和稳定度的各种因素,为后面的研究奠定了理论基础。实现光抽运小铯钟的关键在于能够自动进行频率锁定的激光器,这是本文的研究重点。从理论上分析了光抽运小铯钟对自动稳频激光器功能要求和性能要求,根据激光器输出频率、线宽等的要求,分析了工作环境等因素对线宽的影响,根据目前的技术特点,对自动稳频激光器的整体结构进行了系统规划和设计,对各功能模块进行了研究和分析。对于温控电路,激光器输出稳定性要求工作温度波动范围小于0.002度,目前国内能实现的温控范围最高只有0.005度,需要进行自主设计与研发,实现要求的电路。设计基于激光二极管的非平衡精密电桥测温方法,减小了对电桥零输出判断的负担;对模数转化器的最优放大倍数进行了研究,选定了2.976的放大倍数;为了减少系统负担,设计使用单极性的数模转换芯片实现了双极性数模转换的功能,通过电流方向的区别,控制加热和制冷功能的切换,实现了温度的快速、准确控制;设计了高精度的测试平台,对温控的性能进行了测试和分析,120小时的30万个测试数据表明,系统温控精度达到使用要求。由于传统的电流源需要通过手动调节电位器的方式改变电流工作点,这一点必须有人工参与,这是实现自动基于数字电路的恒流源是激光器的自动稳频实现的另一个难点。基于数字技术实现的恒流源虽然能够实现自动控制,但数字部分对模拟部分的干扰则导致恒流源性能的下降,研究的重点放在了电路的隔离部分。在经典的Joan L Hill设计的模拟恒流源的基础上,设计出光耦合隔离电路,实现了数字电路部分和模拟电路部分的高隔离,并通过一系列细节的优化处理,使其性能达到了一般的模拟恒流源的性能,但由于数据电路的加入,使全自动化成为可能。在完成各模块软件和硬件的基础上,研究了激光器的自动频率锁定及参数自恢复。在理论上分析造成激光输出频率扰动的各种误差的基础上,研究了参数的控制方法,提出了参数自恢复的整体思路。设计了基于微小调制的光强信息提取方法,根据光谱强度变化得到激光频率偏移信息,生成反馈控制参量,把输出光频率控制在参考频率处。提出并实现了电流扫描辅助饱和吸收谱探测的方法、F=4→F’=5跃迁线的峰顶位置的数字判断方法等,实现了激光器自动锁定与参数的自恢复。最终测试指标表明,锁定后的激光器输出频率线宽为1.8MHz,秒稳10-10/s,足以满足光抽运小铯钟的应用。在此基础上,参与搭建了光抽运铯束频标的动态实验研究平台,对光抽运铯束频标的各个理论阶段进行了验证。获得了光抽运小铯钟的Rabi信号、钟跃迁信号等标志性信号,并测量了动态管的线宽、信噪比等指标,实现了闭环锁定。最后,将自动稳频激光器应用到光抽运小铯钟的整机,实现了光抽运小铯钟的整机系统。该原理样机的稳定度数据为:6.3×10-12/s、9.1×10-13/100s、9.2×10-14/10000s、6.5×10-14/100000s。