近年来随着科技和工业水平越来越高，全球温度逐渐升高，引发了一系列环境问题，极地冰川不断开始融化，土地沙漠化日益严重，全球气候变暖已经成为人类关注的重大环境问题之一。在生活和工业生产过程中产生的CO2等温室气体产生的温室效应是全球气候变暖的重要原因，因此监测大气环境中CO2的含量是十分必要的。可调谐半导体激光光谱（TDLAS）技术具有检测灵敏度高、响应速度快和分辨率高等特点，在监测大气痕量气体领域有着广泛应用。根据光谱学的基本原理，每一种物质都有自己特有的吸收光谱，结合本系统光源的选择，本文选择了1572nm附近的吸收线。在利用TDLAS技术检测气体浓度时，常用的有直接吸收光谱技术、调制光谱技术和谐波检测技术，为了有效降低噪声的干扰，本系统对半导体激光器进行波长调制，结合二次谐波检测，实现大气CO2的高精度测量。本文详细阐述了基于TDLAS技术测量气体浓度的基本原理，并对波长调制和二次谐波检测的理论进行了推导计算。通过TDLAS技术测量气体浓度的理论分析，提出了本系统的设计方案，将激光发射至外场大气中，在一定距离处放置角反射器，激光经反射回到透镜处，然后对回波信号进行接收处理。本系统可以分为发射系统、信号调制与解调系统、接收系统和信息采集与处理系统四部分，然后详细介绍了每一部分，并对关键器件进行了选型，逐步完成TDLAS系统的搭建。系统搭建完成以后，首先测试了半导体激光器的温度和电流的调谐特性，确定激光器的工作温度和工作电流。之后测定了多次反射池中不同浓度的CO2气体，然后对外场大气进行了较长时间的监测，最终得到外场大气CO2的变化曲线，得到了满意的结果。本论文基本完成了外场长光程大气中CO2浓度的测量，对研究监测大气中CO2含量的技术有一定的参考意义，但由于实验时间和条件的限制，研究内容还有待深化，需要优化测量系统，引入温度和压强的变化对测量结果的影响，可以在大气中分成两路光路，同时对大气和校准气室进行测量，两路光路的温度和压强是相同的，可以避免温度和压强的影响，以及分析系统的各个误差源，以提高系统的探测灵敏度，同时增加和成熟测量仪器的对比，检验系统的准确性。