痕量气体在地球上扮演了重要的角色,携带了很多重要的信息,并且与人类的生活生存息息相关。痕量温室气体的排放正在使全球变暖逐年恶化,全球变暖是21世纪人类面临的最大威胁之一,其中氧化亚氮（N2O）是全球第三大温室气体,对温室效应产生了巨大的贡献,一氧化碳（CO）也被认为对全球变暖起到了不可忽视的作用,因此实现对大气本底中N2O和CO的观测是实现我国“双碳”战略的重要保障。然而这两种气体分子的浓度很低,均在ppb（十亿分之一）量级,且观测指标要求高,目前特别是国内仍存在挑战。此外,与人呼出气体中痕量二氧化碳（CO2）同位素相关的幽门螺旋杆菌感染疾病也是目前的热门话题,正在威胁人类生存。据报道,我国每年因幽门螺杆菌感染导致的胃癌患者约为34万例,而我国每年新增胃癌患者约占全球的一半,因此对人呼出气体中CO2同位素的分析能为我国大规模人群的幽门螺旋杆菌感染筛查提供有效、方便、快捷的手段。随着现代激光技术的快速发展,激光直接吸收光谱技术作为一种灵敏度高、响应速度快的非破坏性测量手段被广泛应用于各个领域的痕量气体检测中。本论文研究了激光直接吸收光谱技术在痕量气体检测中的应用,由于N2O、CO、CO2的基频振动都在中红外波段,因此中红外激光吸收光谱技术对于大气本底中痕量N2O和CO以及呼出气体中痕量CO2同位素的测量无疑是非常合适的方法。设计并实验搭建了一套基于单光程吸收光谱技术的呼吸气体分析系统,系统采用了容积小于5 ml的单光程吸收池,很适合用于气体样本量小的呼吸分析中。结合CO2及其同位素分子在中红外4.3 μm的强基频跃迁实现了对呼出气体CO2中的12CO2、13CO2、18012C16O、170 12C16O四种同位素分子的同时高灵敏测量,并分析其同位素丰度的δ值。为了减小温度变化对同位素测量带来的干扰,设计了高精度的温度控制系统,温度控制的标准差为0.0013℃,因此可以将由温度引起的同位素丰度的测量误差降低到0.03‰以下。为了避免产生不必要的测量误差,吸收池内的压力控制的标准差也优化到了 0.0035 Torr。经过校准后的系统测量误差小于0.3‰,系统在1s响应时间对于δ12C、δ18O和δ17O的测量精度可分别达到0.12‰、0.18‰和0.47‰。为了实现大气本底中ppb量级的N2O和CO的同时高精度测量,首先研究了多光程吸收池的设计理论。在原有的光学矩阵传输理论的基础上,提出了空间光线传输理论,利用空间直线方程与球面方程求解的方法计算直线传输的光束在球面反射镜上的光斑位置,再使用向量的方法计算反射后的光线传输方向。由所提出的空间光线传输理论在基长小于40 cm的基础上设计了有效光程为76 m的改进型的White多光程池,结合单个4.5 μm附近的带间级联激光器实现了大气本底中痕量N2O和CO的同时高精度测量。为了抑制多光程系统带来的干涉噪声,提出了射频高斯白噪声扰动激光器的方法实现干涉抑制,并用相关法实现了激光中心波长的实时校准。建立的光谱系统对于N2O的1σ测量精度为0.065ppb,对于CO的1σ测量精度为0.133ppb,测量精度和日漂移量均满足世界气象组织的观测指标,并在实际大气测量中验证了系统的可靠性。