超稳激光具有极高的光谱纯度、优良的时空相干性及优异的中短期频率稳定度,在光钟研制、引力波探测、基础物理常数测试等领域具有极其重要的应用价值。国内外相关研究小组竞相开展了基于Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术的超窄线宽激光器研制工作,并实现了Hz甚至sub-Hz量级线宽的超稳激光。空间超稳激光作为未来空间光钟的关键组成部分之一,影响着未来空间高精度时频系统的整体性能。但当前对超稳激光的研究仅限于实验室及部分可搬运的超稳激光系统,尚无实现在轨工作的空间超稳激光系统。空间超稳光学参考腔作为空间超稳激光的核心部件,决定了空间超稳激光所能达到的稳定度极限,也是整个空间超稳激光系统中环境适应性相对薄弱的环节,因此对其进行深入的研究具有十分重要的科学意义和工程应用价值。本文从实验上实现了亚赫兹线宽超稳激光系统,以此为实验基础,并结合影响参考腔长度稳定性的主要因素和空间环境的特点,对空间超稳光学参考腔系统的振动敏感度、温度温度敏感度及动力学响应进行了深入研究。为了研制面向空间应用的超稳激光,本文首先搭建了用于锶原子光钟的698nm亚赫兹线宽超稳激光系统,该亚赫兹线宽超稳激光系统为空间超稳光学参考腔及空间超稳激光的研制奠定了实验基础。通过有限元仿真,优化了100mm光学参考腔的支撑结构,降低了其振动敏感度。通过温度控制,研究了剩余幅度调制随温度的变化规律,实验发现通过控制电光晶体温度使剩余幅度调制最大时,激光频率对电光晶体的温度变化最为不敏感。基于声光调制器进行激光功率的稳定控制,将激光功率稳定度提高了一个数量级,激光功率秒级稳定度达到了6.4×10-5。然后对控制系统进行优化,使控制系统带宽达到了2.7MHz。将两套系统进行拍频比对,测得单套系统的激光频率稳定度优于2×10-15,消除线性漂移后,测得单套激光系统的激光线宽优于0.9Hz。环境微振动是限制超稳激光性能提升的重要因素之一,而国际空间站的微振动水平约比地面超静光学实验室高出3个数量级,因此需要深入研究空间超稳光学参考腔的振动敏感度。通过对比,基于立方腔体的参考腔无论是振动敏感度还是抗力学冲击能力都具有较大潜力,本课题选择以其作为研究对象,进行空间超稳光学参考腔的相关研究。首先推导了不同切割深度时加速度扰动前后腔长的变化,得到立方腔的振动敏感度表达式。然后改进了利用有限元仿真立方腔振动敏感度时的约束方式,定量研究了不同预紧力和不同加速度时参考腔腔长变化,得到参考腔腔长稳定性对加速度和预紧力的敏感程度;最后提出了一种无论水平放置还是竖直放置,振动敏感度都是最小的设计方案,从实验上获得了振动敏感度低至2.2×10-11/g的超稳光学参考腔。温度变化是影响参考腔稳定性的另一个重要因素,空间环境温度相比实验室有变化幅度大、周期性明显等特点,因此深入研究参考腔系统对环境温度变化的响应特性是实现空间环境应用的重要环节。本文首先使用热网络法系统研究了具有三层热屏蔽层的参考腔系统对温度的响应特性,得到了参考腔温度随环境温度阶跃变化及周期性变化的响应特性及解析函数表达式。然后使用有限元仿真方法研究了参考腔系统热响应规律,有限元分析结果与解析函数计算结果相互印证,并通过实验对其进行了验证。最后设计了空间超稳光学参考腔的被动隔热系统,通过理论计算与有限元仿真分析,该空间超稳光学参考腔系统的热响应时间常数约为72.2小时,对于周期为1.5小时、幅度为10m K的环境温度变化,参考腔的温度敏感度为2.8×10-6,能够满足空间应用需求。为满足面向空间环境应用的研制需求,能够承受火箭发射等阶段的巨大振动和冲击亦是空间超稳光学参考腔的关键技术之一。文中首先介绍了空间超稳光学参考腔系统将面临的力学环境,然后设计了空间超稳光学参考腔系统结构,仿真得到该空间超稳光学参考腔系统的一阶共振频率为195Hz。以航天产品拟进行的力学环境试验条件为输入,进行了最大幅值为15g的正弦扫频、最大功率谱密度为0.125g2/Hz的随机振动、最大幅值为630g的冲击谱响应和最大幅值为7.5g的加速度过载等有限元仿真分析,仿真结果表明参考腔最大应力均小于50MPa,其他主要部组件也都在材料允许的应力范围内,即该空间超稳光学参考腔系统具有良好的力学环境适应性。最后,将完成装配的石英玻璃参考腔模拟件及支撑框架进行了正弦扫频试验和随机振动试验,测得该力学试验中参考腔最大加速度约为40g,而石英参考腔及聚酰胺酰亚胺材料的支撑物均无明显破损,说明了该参考腔系统具有良好的力学环境适应性,是面向空间应用的良好选择。