近年来,冷原子光钟在频率不确定度与稳定度的提高方面取得了极大的进展。国际上许多研究小组研制的冷原子光钟均已获得高于目前现行的铯原子频标的性能指标。因此,作为有望成为下一代时间频率标准的冷原子光钟,可以有效的提高守时以及授时基准的精度。由于冷原子的钟跃迁频率具有超高的稳定度,冷原子光钟可以更精确的测量基本物理常数,进而推动前沿物理以及量子通信等重要领域的研究进展。目前正在研制的冷原子光钟中,技术较为成熟的且已获得较好成果的光钟主要有单离子光钟和中性原子光钟两种。其中,性能较好的光钟的频率不确定度已经达到10^-18量级,中性原子光钟更是在频率不确定度与稳定度上均达到了 10^-18量级。与单离子光钟每次只探询一个离子相比,中性原子光钟可以同时探测光晶格中数量高达10⁴量级的原子。因此,中性原子光钟中由量子投影噪声引起的信号起伏会被大大压制,其频率稳定度较单离子光钟要更快的进入10^-18量级。本文将对两套冷镱原子光钟（YbⅠ,YbⅡ）的改进与研究进展进行详细的介绍。这两套系统均已成功实现了原子的一级、二级冷却,并通过优化冷却光的失谐量以及光强,得到温度足够低的原子,最后将原子装载到光晶格中进行钟跃迁谱线的探询。我们通过仔细优化外置的三对垂直正交的补偿线圈中的电流,将原子处的剩余磁场补偿至近乎零,两套光钟在150 ms钟探询时间的条件下获得了线宽接近傅里叶极限的超窄谱线,谱线宽度为6 Hz左右。在对钟跃迁态的精密操控方面,我们实现了镱原子光钟中原子的自旋极化等过程。为了消除一阶塞曼频移对闭环锁定的影响,我们在定义的量子轴方向施加磁场使谱线分裂为两组TT跃迁,并将钟探询光锁定在这两组π跃迁上。为了实现对环境磁场的主动补偿,我们建立了一套可反馈控制磁场的实验装置,对自由起伏的环境磁场进行有效的控制。在时序同步的基础上,实验上成功的实现了两套冷镱原子光钟时序同步下的频率比对,并测得相应的频率稳定度。由于两套光钟的性能相仿,因此以其中一套光钟系统作为参考钟锁定钟探询光,对光频移、碰撞频移、塞曼频移等进行了理论或实验上的初步评估。本文的工作主要集中于光钟的评估以及对磁场的精密控制。基于对磁场的精确补偿,一号镱原子光钟（Ybl）的钟跃迁谱线线宽从56 Hz减小到6 Hz,接近150 ms钟探询时间的傅里叶极限。嘈杂的环境磁场会对钟跃迁谱线的线型产生不良的影响并导致严重的谱线增宽。利用高分辨率的三维磁强计对环境磁场进行监测,可得到频率锁定时间段的磁场起伏。模拟计算表明,在对冷镱原子光钟的性能进行测量时,环境磁场的起伏会限制光钟的频率不确定度以及稳定度进入10^-18量级。通过长期监控发现,环境磁场在周围所有大型用电设备关闭后的这段时间内相对较稳定,在其它时间段的环境磁场起伏会非常剧烈,这将会限制光钟系统的长时间运行。基于Labview程序,我们开发了一套结合磁场的高精度探测与线圈电流反馈的快速执行的系统,反馈中使用的电流源的输出分辨率达0.042 mA,对应的磁场为0.011 μT。该系统可以在钟探询之前实现反馈控制,通过模拟测试得到锁定后的磁场起伏基本在0.1 μT以内,标准差为～0.017 μT。对塞曼频移进行评估时,首先对磁场下镱原子相关能级的塞曼分裂进行了理论分析,理论上计算得到一阶以及二阶塞曼频移与磁场的对应关系。对一阶塞曼频移,一般使用双峰锁频技术来消除。利用基于统计二项分布的数值模型,我们可以对单峰以及双峰锁频时磁场起伏对频率稳定度的影响进行理论模拟与分析。考虑到磁场锁定后,磁场起伏的标准差将小于0.025 μT,在目前的实验条件下,磁场对光钟秒稳的影响小于3×10-17。镱原子的二阶塞曼频移系数β可通过混态理论计算得到,其实验值则可以通过两套光钟的比对测得。为了实现以后光钟的小型化,在理论上,对永磁体塞曼减速器进行了分析模拟,并提出了一种小型化的永磁体减速器模型。永磁铁塞曼减速器与传统减速器相比有无需水冷以及额外的电源等优点。因此,对基于镱原子光钟的永磁体塞曼减速器进行了理论研究。对减速器中的减速光的失谐量以及光强等因素进行了分析,给出了在优化条件下的永磁体减速器模型,并成功搭建该塞曼减速器,对理论分析进行了验证。