稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法，基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术，作为一种较新的同位素丰度测量方法，具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点，得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例，阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下，选取了合适的同位素测量谱线对，实现了大气CO₂气体的¹³C测量精度为0.3‰，煤层气CH₄气体的¹³CH₄测量精度为1.25‰，冰川水H₂O中¹⁸O、¹⁷O和²H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰，以及呼吸气体中的¹³CO₂判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性，也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势，将是光谱研究领域关注的重点内容，并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。

针对气体腔体的结构和光学部件性质，设计了恒温稳定控制箱体的电路精确控制方法，实现了箱体内部多温度状态的高精度稳定控制.该温度控制系统可用于研究气体温度变化与气体吸收谱线参数变化的规律，提高气体浓度检测精度.设计了高精度恒流源、两路温度采样模块及调理电路、A/D模数转换电路和半导体致冷器控制模块等在内的硬件电路系统，开发相应的系统软件，保证光腔通光部分温度的均匀性.同时根据实际控温箱体参数，以比例积分微分控制算法为核心，精密控制光腔内部的温度变化，实现了温控箱内部温度变化控制波动最优为±0.009 ℃且标准差低于0.006 ℃，并采用浓度为2.00%的CO₂标准气体分别进行了16 ℃、20 ℃、24 ℃、28 ℃、32 ℃、36 ℃、40 ℃七个温度状态下的温度控制实验，测量结果验证了温控系统的稳定性.

针对测量动态范围大、室外环境温度变化剧烈等因素，设计了宽温度范围（-40~60℃）紧凑型全量程激光甲烷探头.为减小传感器体积，电路采用层叠结构设计，通过单片机STM32F405实现激光器温度控制、波长扫描调制、数字锁相放大及浓度信息实时反演.电路系统和测量气室封装在仅Φ35 mm×60 mm的不锈钢外壳内，中间有窗片实现物理隔离，确保本质安全.低浓度时使用波长调制技术，保证探头测量精度和测量下限；高浓度时，使用直接吸收光谱技术，保证量程和线性度.在25℃标准大气压下，低浓度（<2%）测量误差小于±5.00×10^-4，检出限为2.24×10^-4，在允许基线校准或者背景扣除的条件下，测量下限可以提高到6.026×10^-5；高浓度（2~100%）测量误差小于真值的±5%.在-40~60℃环境温度下，分别使用1.2%和20%标准气体进行温度性能测试，最大相对测量误差为-3.3%和-3.15%，完全满足国家相关标准要求，可广泛应用于城市综合管廊、天然气管道及站场泄露监测、煤矿安全预警等场合.

为了防止驱动电流的波动会影响半导体激光器激射波长及发光功率，设计了一款具有较强抗干扰能力的半导体激光器驱动电路。该驱动电路以深度负反馈架构为核心，通过STM32控制器调节输出电流直流信号的大小以及调制波信号的频率与幅值。对整个环路进行一阶人工分析，并且结合Tina-TI仿真引入参数可调的噪声抑制网络，保证目标设置频率下环路响应能力的同时具有较强的抗干扰能力。实验表明，该激光器电流驱动电路对目标频率10 倍频程以上环路噪声的抑制可达到20 dB以上，并且对目标频率的调制波响应良好，频率的输出值与设定值最大偏差为0.001 Hz，控制线性度为0.999 9，直流偏置下驱动电流2 h短期稳定度优于0.005 6%，63 h长期稳定度优于0.011%，激光器功率控制线性度为0.999 4，标准误差为0.092 87。