空间高精度时间频率系统在下一代深空宇航探测、精密导航和定位、测地学，以及军事等工程技术领域具有潜在的应用需求，特别是以空间光钟为核心的空间高精度时频研究计划受到世界上主要发达国家的高度重视。在空间站微重力环境下，时间频率基准设备比在地面工作设备的性能高一个量级以上;另一方面，用空间光钟取代目前空间运行的原子钟将进一步提高相关应用领域的技术水平，同时能够拓展其他技术应用和科学研究领域。空间窄线宽激光器作为空间光钟的本地振荡源，决定着空间光钟的中短期稳定度，也是空间光钟钟信号的最终输出单元。窄线宽激光器由于其具有极高的光谱纯度、极佳的时空相干性和极高的频率稳定度等特性，也是开展其他空间基础科学研究的关键设备和必要的技术手段，可用于基本物理常数检测、空间引力波探测等研究领域，对基础科学的发展具有广泛而深远的影响价值。空间窄线宽激光器研制的技术难点和核心主要涉及参考腔系统和光学系统在轨发射阶段需要具有极高的抗加速震动和力学冲击能力、空间多自由度运动状态和10-3g震动环境下运行时具有极高的光-机-力-热耦合的长期稳定性和可靠性，以及整机系统的小型轻量化紧凑型结构设计等问题。　　本文的主要工作是研究用于中国空间锶原子光晶格钟的小型化空间窄线宽激光器系统的关键技术。介绍了基于超稳光学参考腔获得超稳激光的基本原理，利用PDH稳频技术将激光频率锁定到超稳光学参考腔的共振频率上获得超稳激光，激光的频率稳定度受限于参考腔的热噪声极限，参考腔腔长稳定度决定激光的频率稳定度。通过主动反馈控制环路抑制激光的频率噪声和控制引起腔长变化的噪声源，如震动、温度、声音等，使得腔长对环境的变化不敏感，这些措施有利于提高激光频率的稳定度。采用两台窄线宽激光器锁定后拍频比对测量的办法实现对激光频率稳定度的评估和激光线宽测量。研究成果具体包括:　　一、根据中国未来空间应用需求，利用参考腔热噪声理论和参考腔震动敏感度理论模型分析了参考腔的热噪声极限、腔长、腔体结构等技术参数。在此基础上，设计参考腔的热噪声极限为3.6E-16，腔长为78mm，腔体为球体结构，有限元分析其处于最佳支撑位置时的震动敏感度＜1E-10/g。完全依靠自主超高精密光学加工、镀膜工艺和无胶光学键合等技术研制成功国内首个高精细度光学参考腔。采用扫腔线宽法和腔衰荡法测得该球形参考腔的精细度约为200，000，腔损耗＜4ppm。该参考腔的主要性能指标达到国际先进水平，满足空间窄线宽激光器原理样机的使用要求。设计了该参考腔的真空系统和控温方案，实现控温稳定度为15mK/day。　　二、设计和研制了基于空间应用的小型化光学系统。在实验室窄线宽激光器光路系统小型化方案设计的基础上，研制了对光学系统小型化具有重要意义的关键组件，如小型光束变换透镜组、小型高效率光纤耦合组件、可搬运高机械稳定性腔前耦合光学系统等;发展了某些关键技术，如宽频扫描AOM双次衍射光纤耦合效率变化不敏感等技术。在此基础上研制了应用于空间窄线宽激光器原理样机的小型化光学系统，主光学系统规格为400mm×300mm×80mm，总质量为5.8kg，可输出7mW可用光功率，满足总体任务预期的设计要求。　　三、构建了基于光学系统小型化的698nm窄线宽激光器系统，实现系统的闭环锁定和拍频比对测量评估。将小型化光路系统应用于100mm柱形卧式切割型参考腔窄线宽激光器系统，分别利用数字控制和模拟控制实现闭环锁定，并在两种锁定控制方式下通过拍频比对测量的方法对光路系统小型化方案进行评估，模拟控制时单台系统的频率稳定度为3.2E-15@(1s～10s)，实验证实了小型化光路方案切实可行。构建基于自主化研制光学参考腔和小型化光学系统、参考腔可搬运的698nm小型窄线宽激光器系统，通过与光路小型化窄线宽激光器系统拍频比对测量，实现该系统频率稳定度和激光线宽的测量，测得单台系统激光频率稳定度为2.0E-15/s，单台系统的激光线宽为1.3Hz。　　根据拍频比对测量结果，证实了基于自主化研制光学参考腔和小型化光学系统方案可行，目前激光的频率稳定度主要受限于参考腔的控温稳定度。需进一步提高参考腔的控温稳定度，激光频率稳定度有望达到参考腔的热噪声极限。