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发展不同元素的光钟具有重要的意义，不同元素光钟之间的频率比值测量是实现光频二级秒定义的有效途径，也是高精度验证诸如精细结构常数等基本物理常数是否随时间变化的方法。相对于目前最高不确定度的锶原子光晶格钟及最高稳定度的镱原子光晶格钟，汞原子具有更低的黑体辐射频移，更高的饱和蒸汽压及更为简单的钟频磁子能级结构，有望成为下一个无需对环境黑体辐射进行特殊处理而进入10-18量级不确定度的光钟元素。 本小组已经建立了国内第一套汞原子磁光阱系统，并测量了汞原子各个同位素的冷原子数量及温度。本人在此基础上，设计并建立了汞原子钟频探测系统，实现了超稳腔稳频的1062.5nm超稳激光，四倍频后获得了265.6nm钟频激光，并探测了199Hg冷原子的1S0-3P0钟频跃迁。 首先，设计和搭建了1062.5nm超稳激光系统，通过PDH稳频技术将1062.5nm激光稳定在10cm超稳腔上，并对系统各项噪声、漂移进行了抑制和评估，以使超稳激光性能达到超稳腔的热噪声极限。通过有限元结构力学仿真，获得了接近振动免疫的超稳腔振动灵敏度，实现了合理的隔振设计，使得振动影响低于热噪声极限。设计了包含一层被动隔热、两层TEC主动温控的真空及温控系统，11天多点监测温度下漂移小于1mK。通过测量超稳腔零膨胀温度及真空温度传递时间常数，评估了温度波动对超稳腔的影响在1000s内均低于热噪声极限。设计了激光功率稳定模块，去除了光功率波动的影响，环外功率稳定度达到0.05％。对电光调制器进行控温，将剩余幅度调制引起的误差信号漂移降低了10倍，引起的频率不稳定度经评估为4×10-16@1s。使用了光纤噪声抑制技术，将光纤传递附加不稳定度降低到1×10-17@1s。测量了超稳激光在光纤激光放大中的稳定度恶化情况，在1-100s内低于3×10-16。设计制作了超稳激光系统需要的所有电子学模块，包含低噪声高速光电探测器、PDH调制解调电路、高低速PID锁频伺服、功率稳定伺服、温度控制电路、低噪声AOM驱动、低相噪射频链路等，其性能均符合使用需求。 其次，通过光纤激光放大和两次倍频产生了265.6nm钟频激光，并用它探测了199Hg冷原子1S0-3P0钟频跃迁。1062.5nm超稳激光经过光纤激光放大后，单次通过PPLN晶体进行一次倍频，再通过BBO晶体腔内倍频，获得了11mW的265.6nm钟频激光。使用无外场探测技术，消除了冷却光的交流Stark频移，在磁光阱中探测到了199Hg的1S0-3P0钟频跃迁光谱，其光谱对比度最大达95％，谱线宽度最小为450kHz，对应的冷原子温度为60μK。使用无外场探测的钟频光谱，并通过飞秒光梳测量超稳激光频率，确定了1S0-3P0钟频跃迁的绝对频率为1128575290.819(14)MHz。利用5天测量的钟频光谱，评估超稳腔的平均漂移率为4.2kHz/天。 超稳钟频探测激光系统，是实现汞原子光晶格钟的重要组成部分。而探测199Hg冷原子的钟频跃迁，是实现光晶格钟重要一步。这些工作为进一步实现汞原子光晶格钟奠定了坚实的基础。