近年来,全球变暖和气候变化对地球的生态环境造成严重影响,大气温室气体在气候变化中具有重要的作用。大多数痕量温室气体的基频吸收带位于中红外波段,其吸收线强比近红外波段约高两个数量级,因此采用中红外波段的吸收光谱探测,其探测灵敏度也将进一步得到提高。近年来,随着中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser)的发展,室温运行、波长可调谐的中红外波段QCL不断出现,其结合具有高选择性、高灵敏度的激光吸收光谱技术,可以实现对中红外波段基频吸收分子的高灵敏度探测。本文以国内自主研发的7.6 μm中红外QCL为光源,开展了直接吸收光谱、波长调制光谱和光声光谱法高灵敏度探测N20的研究,探索国内自主研制的QCL激光在痕量气体传感中的应用和存在的问题并及时反馈给研制方,对国产QCL的发展具有一定的意义和价值。然后对各种方法的研究结果进行了分析总结,最后给出了今后的展望。本论文围绕7.6 μm中红外QCL光源,通过对QCL光源性能的测试、分析,结合HITRAN数据库在QCL波长调谐范围内对分子吸收谱线进行模拟和分析,选出可探测的分子和其最佳探测谱线。最终以N20为主要目标气体,选取了1307.66cm-1处的N2O吸收谱线,开展多种光谱技术探测N2O的研究。同时根据1306.92cm-1附近N2O和H2O的相邻谱线以及1306.19cm-1附近的N2O和CH4的相邻吸收谱线,也开展了 N2O、H2O以及N2O、CH4的多组分气体探测研究,以探索其在生态通量测量应用中的可行性。实现对大气中这三种气体的高灵敏度探测。论文的主要研究成果和创新为:(1)将国内自主研发的7.6 μm中红外QCL和直接吸收光谱技术相结合,建立了基于QCL的直接吸收光谱气体检测系统。并针对激光器长时间运行过程中激光波长会有微小变化的问题,提出了一种基于吸收峰值的直接吸收光谱反演气体浓度的方法,该方法的优点在于无需对波长进行标定,可以简化检测系统,计算结果不受波长漂移的影响,并通过标准气体验证了方法的可行性。通过对系统性能的测量,实现了 N2O、H2O和CH4的高灵敏度探测。(2)开展了 7.6ìm中红外QCL波长调制吸收光谱N2O、H2O和N2O、CH4气体同时探测研究,实现了 1.5 ppb N2O高灵敏度探测。(3)研究了基于7.6μm中红外QCL的共振型光声光谱气体检测系统,从共振型光声光谱的基本原理出发,针对QCL光功率较弱(3.5 mW)的情况,对系统进行优化改进,以增加反射镜将出射光沿光声池轴线反射回池中的方式,增加有效光功率,增强了光声信号,从而达到提高系统检测限的目的。对系统参数进行优化,并在最优参数下对系统性能进行测试,测试结果表明系统多次平均测量的情况下,检测限为37 ppb,并实现大气N2O气体的探测。