本发明涉及一种冷原子团荧光信号相干探测装置，包括一个第一光学镜模块、至少一个第二光学镜模块，一光电探测器和一数模转化器；第一光学镜模块包括沿光路依次设置的第一前镜组、第一光阑、第一反射镜组件和第一后镜组，第一前镜组对准冷原子团设置；第二光学镜模块包括沿光路依次设置的第二前镜组、第二光阑、第二反射镜组件、相位延迟器和第二后镜组，第二前镜组对准冷原子团设置；光电探测器与数模转化器连接，用于接收第一后镜组和第二后镜组射出的原子团荧光信号，数模转化器用于将原子团荧光信号转化为数字信号，其采用第一光学镜模块和第二光学镜模块之间相位延迟形成的相干探测，可以显著提高荧光探测信噪比。