2005年,北京大学研究组提出了主动式光频原子钟(主动光钟)。主动光钟采用腔模线宽远大于增益线宽的坏腔结构,输出激光的中心频率本质上决定于原子而不是腔,其线宽在原理上可以远小于原子谱的自然线宽。此外,它还可以突破目前光钟的一些限制,如对本振激光线宽的依赖等,从而达到更高稳定度以及准确度。主动光钟有望能在光钟基础研究上突破和超越目前国际上的被动式光钟的一些性能。　　本文以主动光钟理论、激光理论、密度矩阵理论为理论基础,开展基于离子阱陷俘离子和基于四能级量子系统的新型主动光钟方案研究,具体内容包括:　　(1)镱离子主动光钟。以陷俘于Paul阱中的171Yb+为研究对象,开展主动离子光钟,亦即基于坏腔窄线宽离子激光的光钟理论研究,具体包括泵浦方法、能级布居数反转、激光受激发射、输出激光功率和线宽等问题。　　(2)铷原子四能级量子系统主动光钟。根据本课题组提出的四能级量子系统主动光钟理论,以87Rb为研究对象,先介绍其四能级量子系统结构,计算泵浦激光作用下能级布居数反转情况,然后计算在坏腔作用下主动光钟激光输出情况,讨论输出激光线宽和光频移等问题,最后设计了实验方案。　　(3)对此前已有的主动光钟方案和本文提出的新型主动光钟方案进行比较和总结,为在实验上实现主动光钟提供理论参考。　　本文的创新之处表现在:　　(1)将主动光钟理论与离子频标相结合,提出主动离子光钟,为主动光钟提供新的实现方案。　　(2)主动离子光钟输出mHz量级的超窄线宽激光,为目前国际上已实现的单离子光钟提供窄线宽激光光源,突破探测激光线宽对单离子光钟性能的限制。　　(3)提出四能级量子系统主动光钟方案,以铷原子为例研究碱金属原子的四能级量子系统主动光钟。二能级量子系统主动光钟受二阶多普勒频移限制,三能级量子系统主动光钟受泵浦激光带来的光频移限制,而四能级量子系统主动光钟方案可以克服上述缺陷。　　(4)碱金属元素具有丰富的能级结构参数数据,对碱金属原子的激光冷却和陷俘技术已经非常成熟,利用这两大优势,将碱金属原子四能级量子系统与主动光钟概念相结合,可望实现主动光钟的技术突破。