光学原子钟作为目前稳定度、测量精准度最高的设备,对科学技术的发展以及基本理论的检验起到了至关重要的作用。为了发展高稳定度的光学原子钟,需要频率稳定度更高的激光作为光钟的本振源。Pound-Drever-Hall（PDH）激光稳频技术是发展高稳定度激光的一种普遍采用的方法,但使用PDH技术输出的激光频率稳定度往往受限于参考腔的热噪声极限。使用高精细度长腔是降低参考腔热噪声极限的一种重要方法,德国标准计量局（Physikalisch-TechnischeBundesanstalt:PTB）基于48 cm长腔研制了目前世界上稳定度最好的698 nm超稳激光,频率稳定度达到了8×10-17。尽管使用长腔可以降低热噪声极限,但是腔长的稳定性对环境的变化更加敏感。不仅对各项噪声抑制的要求提高了,甚至同样大小的环境噪声,也会导致更大腔长变化。因此为了发展频率稳定度更好的超稳激光,对超稳腔的控温、隔振以及稳频系统中光电噪声的抑制手段提出了更高的要求。本文的主要工作是基于30 cm长参考腔,应用于698 nm波段时超稳激光噪声特性、抑制和测量方法的系统性研究,并获得了秒稳为3.6×10-16水平的稳频激光,该结果接近于参考腔的热噪声极限。本文首先介绍了PDH激光稳频技术的基本原理,总结了一般激光稳定度的表征方法和测量方法;然后研究了超稳激光系统的关键部件超稳腔的长度稳定方法以及光学噪声的抑制方法,基于30cm超稳腔搭建了一套激光稳频系统,频率稳定度达到了3.6×10-16@1s;最后提出了一种具有大范围调节零膨胀温度点的双环腔结构,并发现了复合腔热膨胀系数斜率的改变规律。具体的研究工作主要包括:一、基于30 cm腔搭建了一套系统,实现了3.6×10-16@1s的频率稳定度。具体内容包括1、测量了参考腔的物理参数和光学参数,根据30 cm长腔的特征设计了振动不敏感支撑结构、温度不敏感屏蔽层。结合实验室温度环境频谱特性,采用双层温控降低低频的温度噪声。2、介绍了基于30 cm腔实现稳频激光的实验系统,包括激光光源的介绍、光学系统以及主要使用的仪器等。3、抑制了影响激光频率稳定度的主要噪声,测量了激光频率稳定度对各项噪声的敏感度。4、与另外一套系统拍频比对发现其中至少有一套系统的频率稳定度是3.6×10-16@1s,而作为参考的系统热噪声极限大于该稳定度,因此判断基于30 cm腔的激光频率稳定度至少是3.6×10-16@1s,受限于振动噪声。30cm腔的热噪声极限为1×10-16@,本系统输出的激光频率稳定度接近热噪声极限。5,由于实验室在某些频率的振动噪声较大,长腔的振动敏感度数值模拟值与真实值相差也比较大,为此设计了一套简单省时的支撑位置调节真空装置,可以在不需要反复开启真空室的条件下找到实际的最佳支撑点。二、使用环内光代替环外光的方法降低光学腔内光功率的抖动。高精细度长腔具有线宽窄的特点,应用于PDH稳频中作为参考时其鉴频信号斜率大,能够获得性能更好的误差信号,且激光频率对剩余幅度噪声的敏感度降低。但是腔内共振光功率与参考腔的精细度成正比,功率波动时高精细度腔的腔长更加不稳定。本文在理论上分析了这种光功率的热耗散理论,建立了光功率抖动与腔长变化之间的数学模型。并测量了功率抖动稳定度与锁频激光频率稳定度之间的关系,在实验上提出使用环内光代替环外光的方法,将参考腔的功率稳定度抑制到1 ppm以内,对应的激光频率稳定度百秒内达到了10-19量级。三、提出了一种大范围改变零膨胀温度点的双环腔,并发现复合腔热膨胀系数斜率改变的规律,提出了使用双环腔改变复合腔零膨胀温度点的方法。为了降低热噪声极限,近年来一般使用ULE腔体和FS腔镜组合制作参考腔。这种复合腔由于腔镜和腔体的光胶面膨胀系数不匹配导致整个腔的零膨胀温度点发生改变,尽管Thomas Legero等人提出使用ULE外环的三明治结构可以减小零膨胀温度点改变量,但是对于ULE腔体零膨胀点较低的情况下调节能力有限。本文根据复合腔受热膨胀系数改变的规律,提出一种双环结构。这种双环结构是在腔体两端面切出一块外径与腔镜同样大小、厚度为几毫米的凸台,即可在三明治结构的基础上将零膨胀温度点的调节范围再增大7℃以上,同时不影响参考腔的力学属性。另外,在研究复合腔的过程中首次发现腔镜与腔体的牵引力会导致光学腔热膨胀系数一次项的变化,即热膨胀系数斜率的改变。而通过改变双环腔内外环的尺寸,可以达到降低热膨胀系数斜率的目的。在某些不适合控制在参考腔零膨胀温度点的应用中,低热膨胀系数斜率可以使参考腔控制温度偏离零膨胀温度点时,其腔长依然对温度不敏感。由于本系统中稳频激光的频率稳定度受限于振动噪声,实验室振动在1 Hz及以下频段噪声较大。因此考虑将实验系统移到一个振动噪声较小的防空洞中,降低振动噪声的限制后,预计将获得频率稳定度达到参考腔热噪声极限的698nm超稳激光,该结果与目前国际上同类系统的最优指标相当。