随着光频标时代的到来,研制出小型化可实用的光频标系统以满足人们日益增长的需求已成为时间频率标准领域重要的议题之一。我们选择囚禁单个钙离子作为参考体系,开展了一系列小型化光频标的研究工作。本文总结了博士期间的工作,主要内容分为以下几个方面：1.提出光频标的单元模块化加总体集成的设计方案,并对小型化单个钙离子光频标进行了详细设计。根据该方案,其全部硬件可以控制在1200×900×500mm3空间范围内,体积约0.54m3。2.通过有限元分析的方法为微型环帽阱的设计与加工提供了重要的指导,并获得一种优化的阱电极参数组合,即在ro=0.7±0.2mm的范围内使rring/rendcap≈0.5且zo≈ro。这种改进使得微型环帽阱更近于理想的双曲面阱,从而更适合于稳定的囚禁单个离子并具有更小的微运动。3.研制了一套423nm简易倍频激光器,并发展了钙离子的光电离产生方法,其高效清洁的优势为减小离子的附加微运动并延长单离子的囚禁寿命作出重要贡献。采用该方法后,单个钙离子的连续囚禁时间最长达到17天。4.设计了分别基于传输腔和ULE腔的两种三合一激光稳频方案,并将该方案利用到397nm,866nm和854nm激光的稳频实验中,每天的频率漂移控制在MHz量级,其集成高效的特点很好地满足了小型化光频标的需求。5.研制了一套小型化单个钙离子光频标系统,其中用于钟跃迁探询的729nm激光线宽达到4Hz左右, Zeeman谱中Δmj=0的谱线线宽达到80Hz左右,最后实现了小型化光频标的初步闭环锁定,锁定时间达2小时。