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本文的主要内容是作者在攻读博士学位期间完成的主要工作，包括对空间冷原子钟地面样机的改造并开展相关物理实验，研制应用于冷原子钟的激光稳频系统并改进稳频系统的性能，开展空间冷原子钟的地面测试实验及相关的物理研究。 原理样机改造工作包括对87Rb空间冷原子钟地面样机的光学平台、时序控制和激光稳频等部分进行改进;重新设计了光学平台上的光学机械件，重新布局了光学平台上的光学器件，获得了稳定的激光输出;重新构建了时序控制系统，新的时序控制系统更易扩展和更新，满足实验室环境下不同实验的需求。在改进后的空间冷原子钟地面样机上，对光抽运选态方案进行了实验验证，最终使用光抽运选态方案获得了Ramsey条纹。 针对地面样机的光学平台上所采用的商用外腔半导体激光器，构建了基于DSP技术的自动稳频系统，实现了外腔半导体激光器自动稳频，可以实时评估激光器的锁定情况，提高了激光器的长期运行能力，并且在激光器失锁后可以及时重新锁定，满足空间冷原子钟地面样机实验的需求。为进一步提高稳频激光的性能，对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析，利用外腔半导体激光器的高速电流调制端口，使用射频信号(20MHz)直接调制激光器的频率，实现了对激光稳频系统环路带宽的拓展，提高了稳频系统对激光较高频率噪声的抑制能力。使用20MHz调制频率的稳频系统对傅里叶频率为5kHz处的频率噪声的抑制度达到了20dB以上，对激光频率稳定度的测量结果也表明对较高频率处的激光频率噪声抑制可以提高稳频激光的短期稳定度。 空间冷原子钟的地面测试实验包含三个方面工作:(1)、考虑到空间不同于地面的磁场环境，在地面模拟空间周期性变化磁场，验证了空间冷原子钟磁屏蔽及磁场自动补偿系统，确定了相应的反馈系数;(2)、在地面进行不同速度的冷原子抛射实验，测试了不同的抛射参数;(3)、从理论和实验分析了造成慢速抛射时冷原子数衰减的可能原因:冷原子与真空中残余气体的碰撞损失。使用质谱仪对背景真空中的残余气体进行了分析。从理论和实验两方面对背景真空中残余气体与冷原子数损失率之间的关系进行分析和研究，主要分为两种情况:处于磁光阱中的冷原子以及自由飞行过程中的冷原子。实验结果与理论计算符合得很好，验证了理论模型，这有助于进一步分析导致空间冷原子钟中冷原子数损失的其他机制。同时，分析了真空背景中残余气体的主要成分，对之后的真空设计也具有指导意义。