高精度原子钟不仅是守时授时、全球定位导航等领域中的关键技术,而且在精密测量物理等基础研究领域有着重要的应用价值。随着以冷原子光钟为代表的新一代光学频标的发展,时间与频率测量已迈入了一个崭新的阶段。当今世界的各主要大国都在争相发展光学原子钟,以谋求未来能够在时间频率测量以及相关领域占据一席之地。¹⁷¹Yb原子光钟作为目前世界上发展最成熟,性能最好的光钟之一,在各方面都展现出巨大的研究与应用价值。目前世界上性能最好的镱原子光钟,是NIST的¹⁷¹Yb一维光晶格钟,其不稳定度已达到10^-19量级。将光钟性能提升到10^-18量级的过程中,碰撞频移是限制光钟性能提高的主要因素之一,因此如何有效地减小它的影响将是实验中面临的一个重要课题。对于中性原子光钟由于可以同时探测大量原子,因而,其量子投影噪声被极大地抑制,这使得光钟的稳定度能够在更短的时间达到更高的精度。然而,囚禁在光晶格中的原子之间的相互作用,会使得钟跃迁频率发生频移,由此造成的碰撞频移成为限制光钟性能提高的很重要的一个因素。为了减小碰撞频移的影响,理论上应减小光晶格中原子数密度以减缓原子间的相互作用,然而这与提高光钟的稳定度需要更多的原子数发生冲突。为了克服这一矛盾,一个有效的方案是构建费米简并的三维光晶格,将原子装载到里面,并实现单个格点只装载单个原子,从而消除掉原子间的相互作用。本论文将在¹⁷¹Yb原子一维光晶格钟基础上,对如何实现¹⁷¹Yb原子三维光晶格钟给出具体实验方案,并对其最终能够达到的性能进行预估。首先,简单介绍了目前光钟发展背景、现状以及其遇到的一些问题。并就我们小组的¹⁷¹Yb原子一维光晶格钟进行了介绍,同时对光晶格的一些基本理论进行了推导,对其晶格光频移及碰撞频移产生的影响进行了评估。然后,以JILA的⁸⁷Sr原子三维光晶格钟为参照,介绍了费米简并三维光晶格的基本理论,包括协同蒸发冷却、Hubbard模型和Mott绝缘态等基本理论。在三维光晶格光钟中,通过制备Mott绝缘态,使得每个晶格点只装载一个原子,可有效地抑制光晶格中冷原子的碰撞频移。然而三维光晶格的引入,也使得实验方案设置和光频移的计算都变得复杂。但由于¹⁷¹Yb的核自旋为1/2,使得其张量光频移天然为零,这将极大地简化实验的设置,也是¹⁷¹Yb光晶格钟相对Sr光晶格钟的一大优势。通过实验中使用线偏振晶格光,同时交替探测±1/2磁子能级跃迁,矢量光频移可以被有效地抑制,因而将最终只含有标量光频移。最后,对如何实现¹⁷¹Yb原子费米简并的三维光晶格钟给出了具体实验方案。原子在经过二级MOT冷却后,被装载到532 nm激光形成的远失谐的光学交叉偶极力阱（FORT）中,通过轨道Feshbach调节其散射长度或通过与¹⁷³Yb原子进行协同蒸发冷却实现¹⁷¹Yb费米简并态的制备。同时,也分析了用¹⁷³Yb原子实现三维光晶格钟的方案。随后,对Mott绝缘态的制备方案及探测方法进行了讨论。然后,就¹⁷¹Yb原子三维光晶格钟里晶格光频移及碰撞频移的大小及不确定度给出了我们的预估值,其大小都至多在10^-18量级。本文对将来我们可能开展的¹⁷¹Yb原子三维光晶格实验奠定基础。