石英增强光声光谱（Quarzt-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS）痕量气体传感技术以高灵敏度、指纹特性、可实时在线测量等优势,在大气环境监测、电力安全检测、医学病理诊断、燃烧场测量等领域有着重要的应用价值。传统的QEPAS技术多集中使用低功率的近红外光源和块状光学元件搭建而成,难以满足高检测灵敏度和适应实际应用场景要求。此外,受限于石英音叉工作条件的限制,QEPAS技术在复杂恶劣环境如高温、强氧化、强腐蚀性等气体检测中会受到严重制约。基于此,本论文开展基于石英音叉的高灵敏度痕量气体传感技术研究,以实现检测极限降至ppb(10-9)及以下量级和满足复杂环境痕量气体实时在线测量的高性能传感技术。为了提升QEPAS传感器探测性能,进一步改善检测极限,本论文提出了基于高功率激励光源的QEPAS气体传感技术,采用铒镱双掺光纤放大器对QEPAS传感系统中的种子激励光源进行功率放大与滤波输出,放大后的激光激励源功率高达1200 m W,实现了氨气（NH3）ppb量级、氰化氢（HCN）ppt(10-12)量级的优异检测极限。此外,为了抑制高功率激光传输引起的光噪声,同时提高系统稳定性和压缩系统体积便于传感器的实际工程应用,本文开展了光声探测单元结构优化和传感器整机集成化研究。采用3D打印技术结合渐变折射率GRIN透镜将传统光学平台上分立光学元件系统以及光声探测气室集成为一体,获得了重量为5 g的光声探测单元以及3.2 kg的传感器整机系统。采用此传感器样机,实现了模拟火灾燃烧释放CO气体浓度的在线连续测量。在上述长期的实际测量中,QEPAS传感器系统中的石英音叉表面镀银层易发生氧化腐蚀现象。基于此,本文提出了新型石英光致热弹光谱（Light-induced thermoelastic spectroscopy,LITES）痕量气体传感技术。不同于QEPAS技术中的光声激发、声波探测原理,LITES传感技术使用石英音叉来测量经目标探测气体吸收后的光强变化,进而反演气体浓度。其中,石英音叉无需置于探测气体环境中,因此,所提出的LITES传感技术是一种非接触式测量技术,满足复杂恶劣条件下的实际应用需求。本文所提出的光致热弹物理机制不同于已有文献报导,因此,针对LITES传感技术的内在物理机制进行了理论及实验研究,充分论证了提出的光致热弹物理机制的正确性。在LITES传感器系统中,石英音叉是其最重要的核心元件,基于此,本文开展了LITES传感器系统的性能增强特性以及石英音叉光致热弹效应在中红外波段传感特性的研究工作。提出降低石英音叉热弹-压电转化过程中的内在能量损耗、增加光程吸收路径长度;提出石英音叉激光作用点的非对称镀金方案,提高了压电石英晶体基质材料的光吸收率,进而增强了石英音叉的光-热-弹-电转换效率。采用中红外2.3μm以及4.6μm光源针对CO气体探测均实现了ppb量级的检测极限,揭示了利用光致热弹机制原理,石英音叉有望成为一种全波段覆盖的光电探测器件。