本论文主要研究空心光束在积分球冷却中的应用。由于空心光束具有特殊的光场结构，其在冷原子导引和操控等方面具有重要应用，本论文首次将空心光束应用于积分球冷却。实验研究表明，利用空心光束可以增加积分球探测轴线的冷原子密度同时减少轴线周边的冷原子分布，从而提高探测信号的信噪比和对比度，这对优化积分球冷原子钟性能指标具有重要意义，同时也是对积分球冷却物理机制的新探索。稳定可靠的光学系统对积分球冷却和积分球冷原子钟非常重要，本论文基于外腔半导体激光器设计并搭建了集成化的光学系统，为积分球冷却和积分球冷原子钟提供了稳定可靠的光源。主要工作包括:　　(1)设计并实现了空心光束在柱形积分球内冷却铷原子的实验，并对积分球内冷原子密度分布进行测量，得到了轴线密度高，周边密度低的冷原子分布，为进一步提高积分球冷原子钟性能奠定了基础。　　(2)成功搭建了小型化光学系统，目前已应用于积分球冷原子钟系统，并对第一代小型化光学系统进行优化。