氧气（O2）不仅是大气中的重要组成物质，也是工业生产过程和医疗仪器中的重要气体，对氧气进行浓度监测对环境监测、工业过程控制等方面都有着重要作用。尤其在工业生产当中，氧气是燃烧的重要助燃物质，对氧气浓度进行调整可以降低污染物排放，有效的减少环境污染；不仅如此，当燃烧中氧气浓度达到危险范围会引起爆炸等事故，造成重大生命安全和财产损失。基于调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术进行氧气浓度检测具有非接触、灵敏度高、选择性强、响应快速等特点，并且系统结构简单、成本较低，适合在工业生产、医疗仪器和航空航天等领域中应用。本文以检测氧气浓度为目标，从调谐激光吸收光谱基本原理出发，研究了TDLAS测量系统原理和氧气吸收光谱。优化设计了激光光源、光路与气路系统等，从不同的测量环境需求出发，重点设计了几种不同形式的气体吸收池装置，设计并改进了检测与接收单元等部分，并在此基础上研制了氧气浓度实时测量仪器，从不同角度对仪器进行了测试实验，实验结果表明该仪器具有较高灵敏度、稳定性和重复性等。分析并比较了非线性调谐技术与线性调谐技术，设计并实施了两种非线性调谐方法，分析了测量信号稳定性，对不同调谐方法所得到的信号进行拟合并对比，验证了非线性调谐方法在曲线拟合中可以有效提高信号的灵敏度，使用Allan方差对不同调谐方法进行对比，并进一步验证了非线性调谐技术相对于传统线性调谐方法的优势。