低温蓝宝石微波激射器在短期积分时间内具有超高频率稳定度以及超低相位噪声,有望超过低温蓝宝石振荡器,并成为二级微波频标的不错选择。无掺杂蓝宝石作为基于铁离子微波激射器的核心器件,其中铁离子浓度的含量直接决定着微波激射器的成功与否。蓝宝石中铁离子浓度与原材料成分以及生长过程中受到的污染有关,但是目前并不能定量测试和控制铁离子浓度。尽管这种微波激射器已经被研究了大约十年,但它的物理性能和技术水平仍然有很大的改进空间。本文主要是利用回音壁模式技术以及塞曼分裂图谱对蓝宝石中铁离子进行表征,利用煅烧提高蓝宝石中的Fe3+浓度,最后尝试搭建实验室第一套maser系统原理样机。为了实现蓝宝石中铁离子的表征,我们采用了一种基于回音壁模式的微波非侵入性体材料表征技术。4 K温度下,在Ka波段我们已经将浓度分辨率从ppm提高到ppt级别,使得这种对大块材料的微波表征技术成为了一种非常独特的非接触表征手段。我们为了寻找铁离子,通过微波技术实现对两颗蓝宝石（M1,M2）中铁离子的表征。表征之前,我们通过广泛的调研以及大量计算得到蓝宝石中可能存在顺磁离子的哈密顿方程,电子共振频率以及g因子等信息。通过这些信息绘制出理论塞曼分裂图,为表征铁离子提供支持。通过将实验结果与理论图谱相比较,我们发现了铁离子混态跃迁线的部分跃迁。为了得到更多铁离子的跃迁线,我们采用在空气中高温煅烧的方法实现蓝宝石中铁离子价态的转变,煅烧后发现铁离子浓度明显增加。在煅烧后,我们在每颗蓝宝石中都得到四条铁离子的跃迁线和两条未知离子的跃迁线。在M2中,我们通过调节耦合使WGH17,0,0双生模式的Q值达到2×10~9以上。在此超高Q模式下测量到铁离子的反常双稳态曲线。反常双稳态曲线展示出M2中的铁离子存在饱和吸收现象,这为搭建maser系统提供了基础。在低温下对两颗蓝宝石的铁离子浓度进行计算分析,发现两颗蓝宝石中的活性铁离子浓度与回音壁模式有着很强的关联性,并得到M2中WGH17,0,0模式下的活性铁离子浓度为（6.46±0.01）ppb。基于M2中的铁离子的反常双稳态,我们搭建了实验室的第一个maser系统的原理样机。