近几十年来冷原子研究取得的飞速发展和瞩目成就使得人们将目光转向具有更加广阔应用前景的冷分子。分子拥有更为丰富的内态结构、永久电偶极矩、以及其他特殊的化学性质等,使得它在精密测量、量子模拟与计算、冷化学和冷碰撞等领域成为理想的研究平台,冷分子的研究成为国际上的前沿热点之一。然而,由于传统的激光冷却与囚禁方法难以直接从原子移植到分子,冷分子的制备是一项机遇与挑战并存的课题。目前人们主要发展了两种制备冷分子的途径,包括直接和间接方法,其中直接激光冷却是获得冷分子的重要手段之一。本文主要聚焦于缓冲气体冷却与分子激光冷却的理论与实验研究,以我们课题组选用的一氟化镁（MgF）分子为基础,从激光冷却实验中分子的选择依据、分子能级结构、低温缓冲气体分子束源、高分辨率分子光谱、钛宝石激光倍频与稳频系统、分子激光冷却与减速方案、冷分子（束）的应用等方面对与分子激光冷却相关的关键理论和实验技术进行了开拓性和深入的研究。首先,我们介绍了用于激光冷却的分子的选择依据以及选用的MgF分子的能级跃迁和能级结构,重点介绍了如何构造准闭合的能级跃迁循环。通过分析分子振动跃迁的Frank-Condon（FC）因子、转动跃迁的闭合性、超精细能级结构等,我们将利用其X²Σ⁺（=0,=1,-）→²Π_1/2（^′=0,^′=1/2,+）跃迁构造准封闭跃迁循环来实现激光冷却,理论分析表明,MgF具有高度对角化的FC因子、较高的上能级自发辐射速率、较小的质量等,是一种优势明显的候选分子。其次,我们介绍了用于制备预冷的MgF分子束所需要的缓冲气体冷却束源的设计和构造,以及利用低温分子束源所测量出的MgF分子的吸收光谱和分子束的激光诱导荧光光谱。我们采用化学反应方法制备MgF分子,并根据缓冲气体冷却的理论设计了低温腔,构建了6 K、高真空环境。通过分析实验测到的分子吸收谱带的精细结构,对跃迁谱线的量子数进行了标定,确定了分子激光冷却所需要的跃迁频率,同时证明了MgF的²Π态不是倒态,而是一个正常态,我们还通过分子束的激光诱导荧光验证了MgF基态的超精细分裂间距。接着,我们介绍了两台分别作为MgF的激光冷却中的主泵浦光和反抽运光的钛宝石激光器的实验准备,包括激光倍频、线宽压窄和长期频率稳定。我们测量了两台钛宝石激光器和倍频腔的功率、效率表现,并结合了两种稳频方法（传递腔稳频和透射峰边沿锁频）发展了一种兼顾长期频率稳定和频率可任意调谐的稳频方案,获得了窄线宽（6 kHz）的紫外激光和±2.8MHz的长期频率稳定性,这对于主跃迁的自然线宽为2π×22 MHz的MgF的激光冷却来说是足够的。随后,我们介绍了为MgF分子设计的两种激光减速方案:自发辐射力减速方案和受激辐射力减速方案,并对两种方案的减速效果进行了理论模拟。为补偿分子减速过程中的多普勒频移和超精细分裂,设计了基于两台电光调制器的激光扫频方案,对于200 m/s的MgF缓冲气体分子束,该方案可在18 cm内完成对分子的减速。受激辐射力减速具有在大小和速度捕获范围上的优势,但该方案的制约因素是它对激光功率的要求较高。另外,基于对受激辐射力特性的理解,我们还提出了一种可应用于重分子的快速、短距离减速的恒定相位减速方案。最后,我们探讨了冷分子的应用前景,并以一种新颖的利用表面等离激元干涉场进行分子沉积的理论方案为例介绍了经过冷却获得的冷分子束的应用。我们提出了利用简单的装置和一束激光来获得二维表面等离激元干涉场的新方案,并研究了通过改变激光偏振来获得不同形状的纳米尺度表面光学晶格的可行性;然后我们对基于表面晶格场的分子沉积进行了模拟,并对沉积分辨率的改善方法进行了讨论。我们发现当冷分子束得到良好的准直时,可以得到分辨率宽度为53.2nm的周期性沉积点阵。