单模795 nm垂直腔面发射激光器作为铷原子钟的激光光源，一般采用氧化限制结构获得单模输出。对垂直腔面发射激光器外延结构以及氧化限制孔径进行了优化设计。基于有限元分析方法，利用光纤波导理论和热电耦合模型，对氧化孔径的光学和电学限制进行了模拟，计算分析了实现单模和良好热电特性所需的氧化孔径大小。实验制备了具有不同氧化孔径的器件，并进行了功率-电流以及光谱特性测试。当氧化孔径为1.9 μm时，在3~7 mA注入电流下器件始终保持单模输出，边模抑制比大于35 dB；器件保持单模输出的最大氧化孔径为3.8 μm，室温下阈值电流为1 mA，最大饱和输出功率为2 mW，斜率效率为0.3 W/A，3 mA注入电流下的出射波长为790 nm，边模抑制比大于30 dB。制备的室温下单模特性良好的790 nm垂直腔面发射激光器，为实现高温下795 nm偏振稳定单模输出提供了可能。

针对实际环境中对频标驯服的速度、稳定性的要求, 基于自主开发的多钟联合守时平台, 对现有的经典驯服算法进行了研究与改进。介绍了平台的基本组成和驯服架构, 分析了驯服算法参数确定方式, 基于初值选取和自适应滤波的方法, 对卡尔曼滤波算法在实际场景的应用做出改进。通过软件仿真与平台实际测试实验, 结果表明, 当采用先验估计的方法生成初值和Sage-Husa自适应滤波方法来驯服铷原子钟时, 显著提高了卡尔曼滤波在实际平台上的驯服速度, 耗时只需改进前的四分之一。

针对铷(87Rb)原子钟激励光源微型化和高温工作的特殊需求，设计并制备了对应铷原子能级跃迁的795 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)。首先，根据k·p理论计算了InAlGaAs/AlGaAs量子阱的价带能级和材料增益，得到最优的量子阱组分和厚度; 然后，采用一维传输矩阵方法设计了795 nm波段的布拉格反射器(DBR)，根据完整结构VCSEL器件的驻波场分布设计了掺杂分布; 最后，采用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长了优化的795 nm VCSEL外延结构，并制备了氧化限制型非闭合台面结构的795 nm顶发射器件。实验显示: 封装后的75 μm口径器件可在室温至85 ℃范围内连续工作，最高功率为17 mW，激光光束呈圆形，发散角为15°，激射波长的温漂系数为0.064 nm/℃; 在温度为52 ℃、注入电流为100 mA时，激射波长位于794.7 nm(对应铷原子钟需要的波长)，基本满足铷原子钟激励光源对波长稳定和高温工作的要求。

为了对高速运动测量装置进行校准，研制了一种闭环控制的高速运动测量机，该测量机可根据需要设定运动参数，按照正弦波和三角波速度曲线进行高速运动。高速运动测量机采用了花岗岩工作台和空气静压导轨技术，其高速驱动控制系统采用直线电机和PMAC运动控制卡，并以反射式钢带光栅作为位移检测和反馈控制传感器。采用铷原子钟作为控制数据采集的时间基准，通过精密时间间隔发生器同步控制基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速数据采集系统，实现对位移的高速数据采集。试验表明，采用正弦波和三角波速度曲线进行高速运动时，高速运动测量机在300 mm行程的速度已分别达到5.3 m/s和7.6 m/s，最大位移跟随误差分别为-1.56~1.01 mm和-1.41~2.23 mm。该测量机可用于高速运动装置的校准测量。