本发明公开了一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，包括激光发生装置、饱和吸收稳频模块、第一分束装置、第二分束装置、第三分束装置、第四分束装置、第五分束装置、第六分束装置、第一调制模块、第二调制模块、第三调制模块和第四调制模块；多个分束装置均用于对出射光束进行透射或反射；反射光束能够进入该调制模块内，且反射光束出调制模块后的路径与入射光束进入调制模块前的路径相同；激光发生装置输出的光束先后经第一分束装置和第二分束装置透射，经第三分束装置反射后进入到第二调制模块，经第二调制模块反射后，被第三分束装置透射，经第四分束装置分为两束，一光束为冷却光下，另一光束为探测光。本装置结构简单，光路得到简化。