原子分子的精密光谱在人类探索自然的过程扮演着核心的角色,特别是自激光器诞生以来,原子分子频率跃迁的测量的精度得到了极大的提高。每一次光谱频率分辨率的提高都带来人类认识的新革命,导致了一系列重大的发现:比如精细和超精细分裂、Stark效应、Zeeman分裂和精细常数的时间变化等。在这一系列重要的科学和技术的进步中,能级结构简单原子的高精度谱线测量在基本常数标定、奇异核结构测量和量子电动力学修正等领域有至关重要的作用。最近高精度的锂原子激光光谱不论是在理论还是实验领域都引起了科学界的极大的关注,锂原子的能级结构比较简单,其外层只有三个电子,从第一性原理出发可以得到锂原子的诸多特性。例如,结合量子电动力学修正的Hylleraas变分算法,可以精确预估跃迁频率、同位素位移和精细结构间隔等。实验上通过测量锂原子的精密跃迁光谱,可以对现有的理论模型进行检验。目前Li原子的能级在理论上已经完成了mα7阶QED修正计算,但是现有的两套理论体系在计算结果上有着微小的差异,并且理论计算与实验结果也存在出入,所以实验上还需要一套高精度的测量系统来修正理论计算,从而验证QED理论的正确性以及普适性。许多实验测量了6Li和7Li中性原子的精细和超精细频率分裂和同位素位移,然而当前的实验数据和理论计算有着较大的分歧,并且这些测量也存在着许多不一致,尤其体现在锂原子的D1和D2线的同位素测量中。先前几乎所有的实验都是在热原子或原子束中进行的,其导致的频移以及其他不确定因素制约了测量精度的进一步提高。尽管使用冷原子可以提高测量的精度,但锂原子是可以被激光冷却的最轻的金属,反冲动量大,对冷却带来一定的困难。本论文主要研究在6Li冷原子中D线跃迁频率的精密测量,我们在实验上采用D1线亚多普勒冷却机制,使原子温度低于多普勒冷却极限;发展了光子散粒噪声极限的差频探测手段;精确调控冷原子数的波动和光学密度;结合光学频率梳、氢钟,精确测量了6Li冷原子中光谱跃迁频率,精度比目前报道最精确的NIST测量精度提高近一个数量级。具体研究内容有:1.首先通过自主搭建的冷锂原子平台,实现了锂原子的激光冷却与俘获;采用灰色黏胶冷却技术将原子团温度降低到50μK,远低于多普勒冷却极限温度,并且此过程的冷却效率达到50%以上,保留了大量的原子。2.通过同向双光子拉曼光谱技术测量了冷原子区域的背景磁场,通过调整补偿线圈的电流大小将背景磁场抑制到0.8μT,从而为跃迁谱线精密测量提供了良好的磁场环境。3.在已有的冷原子系统中引入亚自然线宽谱线测量技术,通过延时相干测量的方式首次在冷原子中获得了亚自然线宽的原子谱线。理论上通过调节延时时间可以获得MHz线宽以下的谱线信号,但是受限于采集效率、其余展宽因素、谱线幅度降低的影响,在保持可观信噪比的条件下获得了线宽为3.5 MHz的D1线跃迁谱线信号。将此技术应用在D2线跃迁,获得了部分可分辨的D2线跃迁谱线,通过提高采集效率、进一步抑制其余展宽、提高谱线信号的信噪比,有望对不可分辨的D2线跃迁谱线间隔进行实验上的测量。4.在冷原子中测量了6Li原子D线跃迁的绝对频率。结合光学频率梳、氢钟和GPS等,构建了链接国际单位秒的频率链系统,并将光梳中超稳腔的频率稳定性传递到探测激光上。实验中发展了差拍探测的方法,通过拍频的方式将弱的探测光进行光放大,提高了吸收谱线的信噪比,并且整个测量过程在接近光子散粒噪声极限下完成。采用对打探针光和正反扫描相结合的方式降低谱线测量过程中由于测量带来的误差,同时结合光功率外推测量方式获得了趋于零光功率密度下的绝对频率的测量,从而获得准确度更好的结果。最终在6Li冷原子体系内实现了 6Li原子D1线和D2线跃迁谱线绝对频率的测量。相比于之前最好精度的实验,本次实验在测量精度上提高了一个数量级,其中D1线跃迁绝对频率不确定度达到了1kHz以下。目前进行6Li和7Li高精度同位素偏移实验的测量,可在更高的精度上验证基本物理规律,有望对QED和相对论理论进行更高阶的修正,甚至可能发现超越标准模型的新物理。