机载激光雷达是实现远距离大气精准监测的重要手段，CO₂激光器工作谱段与部分大气污染物和化学物质吸收谱一致，是大气监测激光雷达的重要光源。面向机载要求，在控制体积重量的条件下实现−40 °C~55 °C宽温域工作是机载CO₂激光器温控系统的设计难点。因此，本文提出一种以激光器性能和环境温度为设计输入，半导体热电制冷与强制风冷相结合的闭环温控方法。根据激光器、半导体热电制冷和强制风冷等的结构与传热特性，建立温控方法的有限元模型，基于此模型对激光器温控性能进行研究。对于55 °C高温环境，温控系统工作25 min后，激光器温度控制在40 °C；对于−40 °C低温环境，温控系统在工作20 min后，激光器温度控制在25 °C，满足激光器正常工作要求。根据激光器及建立的温控方法，开展高低温环境下激光器工作能力实验研究，采集实验过程中的激光器温度数据，测量高低温条件下激光输出能力。实验结果表明：实测激光器温度与有限元仿真温度数据基本吻合，两者误差小于10%；采用所提出的温控方法，激光器在高低温条件下可以正常工作，输出功率与室温条件下一致。

面向机载激光差分吸收雷达对小型轻量化激光光源的应用需求，研制了紧凑型自动调谐脉冲CO₂激光器。首先，研究了射频波导腔内光束和自由空间光学斩波光束孔径匹配关系，设计了具有实焦点的腔内光束变换系统，实验验证了斩波器通光孔径对激光脉冲波形的影响。其次，研究了CO₂激光器的波长调谐特性，分析了相邻激光谱线光栅衍射角度差，并基于高精度电动转台和金属闪耀光栅，实现了CO₂激光器波长自动调谐输出。最后，基于小型轻量化模块设计，完成了紧凑型自动调谐脉冲CO₂激光器集成。实验结果表明，该激光器在1 kHz条件下运转稳定，脉冲宽度为350 ns，峰值功率为3.7 kW，在9.2~10.7 μm范围内测试到30条激光谱线，重量为18 kg，本文研究为机载激光差分吸收雷达提供了一种小型化探测光源。

射频电源是RF-CO₂激光器中的一个重要部件。在开发一个新的RF-CO₂激光器时，由于激光器负载和射频电源匹配失调，在调试过程中容易造成射频功放功率管击穿、烧损。为解决这一问题，设计了一套集数据采集、自动保护控制和可视化技术为一体的RF-CO₂激光器射频电源监控平台。平台采用软件和硬件相结合的方式，在射频电源中嵌入控制模块，搭建数据采集系统和自动保护系统，并结合电路设计软件平台完成对射频电源的数据信息采集和保护控制。经过实验测试，平台可以有效避免射频电源功率管的损坏，实现射频电源的自动保护，并完成射频电源系统的数据采集和远程保护控制，缩短了RF-CO₂激光器的调试周期，提高了整机的开发效率。