小型铯束原子钟能够被广泛的应用于守时、通讯、电力、卫星导航和军事等领域,根据原子态制备方式的不同,其可以分为磁选态和光抽运两种类型。光抽运小型铯束原子钟（以下简称:光抽运小铯钟）采用光抽运代替磁选态的技术制备和探测原子态,避开了国内磁选态小型铯束原子钟研制的技术瓶颈。实现光抽运小铯钟的国产化能够打破国外的技术垄断,对民生国计具有至关重要的意义。稳频激光器是光抽运小铯钟的重要组成部分,光抽运小铯钟采用激光与原子相互作用的方式来制备和探测原子态,长期锁定的稳频激光器是光抽运小铯钟运行的基础。荧光收集器是完成光学探测的必要元件,是避开国内磁选态小型铯束原子钟研制技术瓶颈的基本功能器件。本论文对这两个关键部件行了研究,设计了一种高效率的荧光收集器和三种应用于光抽运小铯钟的稳频激光器。在论文的最后一部分,结合铯原子能级跃迁的基本理论,应用设计的稳频激光器开展了基于原子拉比共振的微波磁场传感器的研究。获得了以下研究成果:采用仿真计算的方法设计了高效率的荧光收集器。本文比较了三种荧光收集器的结构和工作原理,选用结构简单、收集效率高的实用型荧光收集器作为设计框架,应用射线追踪的仿真方法,设计了高效率的荧光收集器,满足了光抽运小铯钟设计需求。提出了三种应用于光抽运小铯钟的稳频激光器工程化实现方案,简化了激光器光学结构,降低了功耗,同时保持了激光器的稳定度性能。首先,设计了锁定于铯原子饱和吸收谱的稳频激光器,这种稳频激光器能够输出两束频率稳定的激光,并能不依赖于铯束管而独立工作。当激光频率锁定于铯原子D₂:F=4→F’=5的能级跃迁线上时,测得稳频激光器的秒稳为1.03×10^-10。为简化稳频激光器的光学结构、促进光抽运小铯钟的工程化应用,采用荧光信号作为锁频的参考信号,设计了稳频激光器。锁频应用的荧光信号由铯原子束与激光相互作用产生,信号的产生受原子束形状的影响,而铯原子束的形状与准直器密切相关,本文采用多通道管堆叠的方案设计了铯炉准直器,设计准直器的长度为9 mm,横截面尺寸为4 mm×0.6 mm。采用设计的荧光收集器收集荧光信号,将激光的频率锁定于铯原子D₂:F=4→F’=5能级跃迁线上,实验测得的稳频激光器的秒稳为3.25×10^-10。为进一步简化稳频激光器的光学结构,设计了能够输出相同频率泵浦光与抽运光的稳频激光器。利用铯原子泵浦跃迁发射出的荧光信号作为参考信号,将激光的频率锁定于铯原子D₂:F=4→F’=4能级跃迁线上。研究了与原子相互作用使原子发生D₂:F=4→F’=4能级跃迁的激光的饱和光强,当与原子相互作用的激光达到饱和光强时,铯原子泵浦跃迁发射的荧光信号的幅度趋于稳定。实验采用达到饱和光强的激光与原子束相互作用产生的荧光信号锁定激光器,测得稳频激光器的秒稳为2.64×10^-10。提出了利用探测铯原子基态钟跃迁的拉比共振实现自由空间内微波磁场强度的测量方法。被测量的微波场由一端开口的波导发射出,正对波导放置玻璃铯泡作为微波场感应器,采用设计的稳频激光器输出激光,频率锁定于铯原子D₂:F=4→F’=4能级跃迁线上的激光照射在铯泡上,测量探测激光的透射光强度,从而测得被微波激发跃迁到基态上能级原子的数量。首先,利用实验装置测出了原子能级跃迁拉比频率与微波磁场强度的正比关系,验证了实验测量的有效性。然后,测量了微波磁场强度的纵向分布,并应用仿真软件对该磁场分布进行了计算。结果显示,两种方法获得的微波磁场分布基本一致,验证了实验测量结果的有效性。