超窄线宽稳频激光器在科学研究与技术领域中有着重要且广泛的应用,如光原子钟、高分辨激光光谱、低噪声微波信号产生、基本物理常数测量和基础物理验证等。在光原子钟研究中,这种窄线宽稳频激光器被称为“本地振荡器”(LO),用该激光探测装载在光晶格中的冷原子或被囚禁的单冷离子,可获得线宽超窄且频率极稳定的跃迁谱线(称为钟跃迁谱线),并用该跃迁谱线对本振激光频率实现精密锁定,从而建成高稳定度和高精度的光学频率标准或光钟。降低本振激光的频率噪声和提高其频率稳定度将有助于增加本振激光探测原子的时间,从而提高探测钟跃迁谱线的分辨率,同时减小Dick效应对光钟频率稳定性的影响,进而提高光原子钟的频率稳定度。目前,基于中性原子光钟的频率稳定度在很大程度上受限于本振激光的频率噪声。因此,降低窄线宽激光的频率噪声对光原子钟及其它应用具有至关重要的作用。为了获得高稳定且频率噪声极低的激光,通常采用Pound-Drever-Hall (PDH)技术将激光的频率精密锁定在超稳定光学参考谐振腔的谐振频率上。本论文首先简要介绍了PDH技术的原理,分析了该稳频技术中各种噪声对稳频的影响。当系统具有高信噪比的鉴频信号和高精度的频率控制系统时,激光的频率稳定度在很大程度上取决于参考腔长度的稳定性。因此,本论文还讨论了提高光学参考腔长度稳定性的方法,如采用各种隔离环境噪声的措施来减小外界环境对腔长的影响,并讨论分析了垂直、水平和环形三种腔体结构和支撑方式,使得光学谐振腔具有“振动免疫”的特点。在实验上,我们将光学谐振腔放置在精密温度控制的高真空室内,并采取隔振、隔音措施,大大提高了光学谐振腔的长度稳定性。同时,结合激光功率精密控制技术和光纤位相噪声消除技术,通过高精密伺服控制系统,实现将激光频率锁定在超稳腔的谐振频率上。经测量比对,窄线宽稳频激光的频率特性都已接近参考腔的热噪声极限。其中,两台1064nm稳频激光的线宽达到1Hz(分辨率0.25Hz)、频率不稳定度达到1.7×10-15(1秒平均时间)；578m窄线宽激光器的线宽达到0.25Hz(分辨率85mHz),在1-10秒的平均时间内频率不稳定度达到≤3×10"16。为了进一步验证窄线宽稳频激光的性能,本文还将研制的578nm低噪声窄线宽激光应用于镱原子光钟实验。用该激光探测囚禁在光晶格中的冷镱(Yb)原子,观察到镱原子钟跃迁谱线宽度为1Hz(跃迁频率为518THz),其品质因子>5×1014；本论文通过降低LO激光频率噪声、提高激光频率稳定度,延长了激光对原子的探测时间,从而减小了Dick效应对光钟频率稳定性的影响,提高了光钟的频率稳定度。实验测量显示,光钟的频率不稳定度达到了5×10-16/(?)τ(τ为平均时间),这是目前已报道的光钟频率稳定性最好的结果。最后,论文展望了进一步改善窄线宽稳频激光器性能的方案,着重讨论了减小参考谐振腔热噪声影响的方法,同时还介绍了产生窄线宽激光的其它方法及发展前景。论文的最后还讨论了通过进一步提高窄线宽稳频激光器性能、并积极采取其它有效的实验方案来减小Dick效应对光钟频率稳定性的影响,从而进一步提高光钟的频率稳定性。