为了防治大气污染,保障公众健康,推进生态文明建设,我国于2015年8月29日修订了《中华人民共和国大气污染防治法》,坚持源头治理,加强对燃煤、炼钢工业等大气污染的综合防治。众所周知,在钢铁冶炼过程中,将产生诸多过程气体,其中,一氧化碳(CO)气体是炼铁高炉内使用经焦化的炼焦炭,在温度低于570℃的情况下,发生还原反应所生成的。一氧化碳(CO)对人体有害,吸入后将导致人体组织器官缺氧,危害了人们的身体健康,且与空气混合,易发生爆炸,威胁着人们的生命安全。因此,在炼钢工业中,对一氧化碳浓度的检测监测有利于工业过程控制,提高生产质量和保障人员生命安全。诚然,检测监测钢铁冶炼过程中产生诸多的过程气体,离不开先进、有效的气体检测新原理与新方法技术。本文依托有关科研项目——重庆市科技攻关项目(项目编号:2012920130332):分布式激光气体检测关键技术研究,以钢铁冶金工业生产过程中产生一氧化碳(CO)气体为研究对象,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术中光学设计关键技术问题,开展了分布式激光气体测量分析系统中的光学设计及其试验研究。本文在对分布式激光气体分析技术文献调研等基础之上,确定了一氧化碳(CO)气体2330nm特征吸收峰。针对在准直系统中,采用单透镜结构时光束发散角效果差,以及采用多球面镜时系统结构复杂、体积大等不足,利用光学设计中的ABCD定律,研究分析了高斯光束的传输特性,得出了单透镜对激光光束不能有较好准直效果的结论。针对在激光气体分析测量系统中,为了提高气体检测灵敏度进行光路扩束时,将引起光准直降低进而影响像质质量的关键技术问题,通过建立三组元扩束系统理论模型,从理论上推导出分布式光纤扩束系统的光学参数。考虑到在工程应用中扩束系统结构的安装调试存在一定的难度,同时,为了便于扩束结构后续的对接调试、增强检测系统的适应性,研究了多倍数扩束结构的光学设计方法。基于光学仿真软件ZEMAX,完成了对分布式光纤系统的准直、多倍数扩束系统的初始设计及优化工作。研究结果表明,依据光学设计确立的方案及其参数,成功将光纤输出波长为2330nm的点光源准直,与此同时,还分别实现扩束比M4~7??(28)的目的,获得了直径20、25、30、35mm的平行光,出射光束准直效果好,像质优良,满足了项目研究所需的分布式激光气体分析测量系统光路扩束设计要求。此外,本文基于光学仿真软件ZEMAX,开展了对三组元扩束结构中固定组部分使用双分离式和非球面式透镜结构的对比分析,得出了两种结构方式的优缺点及适用领域。在气体检测试验中,采用二次谐波信号推算一氧化碳浓度,在拟合工作中,使用一次拟合和二次拟合方式,并对两种方式进行了分析对比,实现了针对分布式激光气体测量分析系统的光学设计目标。