本发明涉及超冷分子制备及测量技术，具体是一种直接产生超冷基态双原子铯分子及其测量的方法和装置。本发明解决了现有超冷基态双原子铯分子制备及测量技术对超冷铯原子的温度要求高、形成的超冷基态双原子铯分子易分解成两个原子、超冷基态双原子铯分子产率低、测量过程中会对已形成的超冷基态双原子铯分子造成破坏、以及技术难度大的问题。直接产生超冷基态双原子铯分子及其测量的方法，该方法是采用如下步骤实现的：a.将铯原子冷却形成超冷铯原子；b.超冷铯原子在光缔合激光的作用下形成长程激发态双原子铯分子；c.长程激发态双原子铯分子隧穿形成短程激发态双原子铯分子；d.用透镜收集荧光。本发明适用于超冷基态分子的制备和测量。