原子或分子由于其能级结构的不同,会产生不同的吸收谱线。自牛顿在1666年发现光谱以来,光谱学日益成为人类理解自然、探索自然的一种重要工具。而自激光问世以来,由于其谱线的单一性、良好的准直性以及高功率,各种基于激光光谱学的技术被广泛地应用于生物、医疗、农业、环境监测等各个不同的领域。本论文将主要聚焦激光在气体污染物检测方面的应用。随着我国综合国力的节节提升,环境污染问题也日益凸显。从上个世纪被主要曝光的水污染、土质污染、酸雨,到本世纪更加无法逃避、无法无视的雾霾,空气污染由于其扩散性正日益受到更多的关注,并成为监管的重中之重。光学检测在气体污染物检测中占据重要地位。基于可调谐二极管激光的气体污染物检测系统,由于其非接触性,快速响应,高选择性,正被运用到越来越多的气体检测场合,以替代传统的湿法化学以及电化学气体传感系统。本论文的工作内容主要包括以下三个方面:1.使用Matlab程序仿真了吸收谱、波长调制信号和二次谐波信号。基于吸收线强、展宽机制和Beer-Lambert定律,成功实现了不同气体在不同环境条件下的吸收谱的仿真。吸收谱虽然也可以从Hitran数据库得到,但是由于Hitran数据库存在延时、参数限定、没有API接口等问题,并不能很好地满足不同应用场合的需求。波长调制信号的仿真则将理论上的吸收谱与实际激光器的输出特性对应起来。二次谐波信号的仿真使得波长调制技术过程可以全程通过软件仿真,因而可以通过软件来优化参数后再开展实验,节约人力物力。2.完成了元素汞蒸气连续监测样机的搭建和测试。汞蒸气是一种对神经系统危害极大的污染物。我国在燃煤时会排放大量的汞蒸气,因而需要对烟气中汞蒸气含量进行监测,限制其排放。由于汞的吸收线在紫外区,而在这个波段没有成熟的激光器,因而系统采用了和频技术,利用一束蓝光激光和一束红光激光,通过非线性晶体产生紫外光进行测量。由于蓝光激光器的输出模式较为斑杂,使用外腔调制技术对蓝光激光器进行选模,提高谱线的单一性。为了能够克服激光器输出不稳定导致的吸收截面浮动,系统添加了参考池作为实时标定的依据,利用相关光谱方法计算样品路中汞蒸气的浓度。整个系统涉及光路、电路、气路、机械结构的设计以及软件的编写。在使用1米光程时,仪器的灵敏度在0.11μg/m3以下,符合国家标准。3.使用高散射材料作为气室,开发了一套小型化集成的甲烷检测系统。甲烷是一种易燃易爆气体。开发小型化、集成的甲烷检测系统一直是学术界与工业界的研究热点。目前增加光程的技术主要有两个方向,一个能够实现非常长的光程,但需要精密的调节;另一个不需要精密调节,但体积会比较庞大。针对以上问题,本论文使用高散射材料作为气室。散射材料具有在相应波段散射系数高而吸收系数低的特性,因而光在材料内部会经历多次散射从而延长光程。本论文研究了一种氧化铝陶瓷材料,可以用0.5cm厚度材料在1653.7纳米波段获得近16cm的光程,结合波长调制技术可以达到ppmv量级甲烷探测灵敏度。