超窄线宽激光又称为超稳激光,是相干性最好的激光。超窄线宽激光在高精度时间频率信号的产生和传递中发挥着非常重要的作用。作为光钟三个组成部分之一的超窄线宽激光,常被称为钟激光,用于钟跃迁信号的探测,其频率稳定度决定了光钟的中短期频率稳定度。超窄线宽激光和飞秒光梳相结合,可以产生超稳光生微波源,减小Dick效应对铯原子喷泉钟的影响,提高现行基准钟的频率稳定度。同时超窄线宽激光作为高精度光纤光学频率传递装置的光源,是提高光频信号传递精度的可靠保障。此外,超窄线宽激光在量子光学、超精密光谱、引力波探测、基本物理量测量等领域都有着广泛的应用。目前,中国科学院国家授时中心承担了921空间站锶原子光钟以及“十三五”高精度地基授时系统两大重要的工程研制项目。本文主要研究内容围绕上述工程任务开展,以超窄线宽激光为研究对象,研究了空间外腔半导体激光器关键技术,高控制带宽的自动稳频关键技术和空间集成光学系统关键技术。论文主要研究内容和创新点如下:（1）698 nm外腔半导体激光器作为空间超窄线宽激光系统的光源,是系统最重要的关键器件之一。商用半导体激光器的体积、重量以及空间环境适应性等方面都无法满足空间超窄线宽激光系统的需求。研制了使用窄带干涉滤光片选模,具有“猫眼”结构的新型可调谐抗振外腔半导体激光器,并通过力学试验对其环境适应性进行验证。国内首次面向空间光钟应用需求,设计研制了基于干涉滤光片的外腔半导体激光器,突破了空间超窄线宽激光研制的一项关键技术。理论分析研究了基于干涉滤光片选模和“猫眼”结构外腔对压窄激光线宽,提高激光器的抗振动能力的特性。在此基础上,设计了一种新型的机械结构,研制的激光器体积小巧、结构稳定,没有任何弹性加载的可调节装置。激光器自由运转时的线宽达到了180 k Hz,在1～10 s内的频率稳定度小于1×10-9.基于有限元方法,对激光器进行了模态分析以及重力环境下的形变分析,激光器的一阶共振频率为2316 Hz,大于基频70 Hz的要求。对激光器进行了空间应用系统有效载荷环境试验要求（鉴定级）半量级的力学环境试验。试验前后激光器输出激光的光斑形状、波长以及输出光功率等主要性能的变化满足设计要求。试验表明,激光器能够抵抗450 g的加速度冲击的要求。（2）针对空间超窄线宽激光在轨运行时无人值守的特点,开展了激光自动稳频实验研究。首次实现了一种基于模拟电路和数字电路相结合的激光自动稳频系统,创新性地提出一种激光频率自动锁定算法。为了获得较快的控制速度,稳频系统的核心为模拟PID电路,所有参数调节通过数字电路以及程序由微控制器来实现。通过优化锁定算法,实现了自动锁定以及失锁后重新锁定的功能。自动稳频系统实现了高达2 MHz的控制带宽,能在不到4 s时间内判断激光器失锁并实现激光频率的重新锁定。经过4 000多次的重复实验,每一次激光频率失锁后都可以实现自动重新锁定。（3）面向空间应用的超窄线宽激光受系统资源条件的限制,其重量、体积等因素是必须考虑的,同时还需要考虑发射过程中振动、冲击的影响以及从地面到空间微重力环境下光路板的形变影响等。针对以上影响因素,对实验室超窄线宽激光光学系统进行了小型化设计,创新性的提出了采用结构拓扑优化设计的方法对集成光学平台进行优化的方案。在此基础上开展了空间超窄线宽激光电性能件光学系统的设计,所有光机组件通过小型化、模块化设计,集成在一块310mm×210 mm光学基板两侧。通过力学仿真分析,光路板在重力的影响下最大形变量仅为0.36μm,初步满足了空间应用要求。解决了小型化、高稳定性、高精密光束指向等空间集成光学关键技术难题。对空间窄线激光器电性能件的指标进行了初步测试,激光器线宽约4.6 Hz,频率稳定度优于3.5×10-15/s.（4）开展了应用于高精度光纤光学频率传递的1550 nm超窄线宽激光工程化研究。面向可移动、可搬运以及电信机房环境的应用,对光学模块、物理模块、电路模块进行了小型化、集成化优化设计。整个系统集成在19寸6 U隔音机箱内,质量小于30 kg.解决了光学参考腔振动敏感度优化,系统集成等关键技术问题,为通讯波段的超窄线宽激光工程化奠定了坚实基础。本文的研究工作解决了可移动、可搬运以及未来面向空间应用的超窄线宽激光工程化所面临且迫切需要解决的关键问题,为未来空间原子频标的产生和高精度光纤光学频率信号的传递奠定了基础。