TDLAS激光氧气传感器的工作始于激光光源——可调谐半导体激光器。该激光器能够发射出线宽极窄、波长可调的连续激光。通过精确控制激光器的注入电流和工作温度，可使其输出波长在氧气分子的特征吸收谱线附近进行周期性调谐扫描。氧气分子在近红外波段存在特定的电子跃迁吸收峰，这些吸收峰具有稳定的波长位置，构成了识别氧气的“光谱指纹”。
激光器发出的光束经准直后穿过开放气室或封闭气室内的被测气体。气室设计确保激光与待测氧气分子充分相互作用，光程长度直接影响检测灵敏度。当激光波长被调谐至氧气吸收峰中心时，部分光能被处于基态的氧气分子吸收，分子从低能级跃迁至高能级，导致透射光强发生衰减。
传感器核心检测环节由光电探测器完成。探测器将接收到的透射光信号转换为电信号，并送入信号处理系统。由于激光器波长调制过程中，氧气吸收信号叠加于较强的背景信号之上，系统通常采用波长调制光谱技术和锁相放大解调方法，从噪声中提取出二次谐波分量作为浓度定量依据。二次谐波信号的幅值与氧气浓度呈正比关系，同时有效抑制了光源波动、气室窗口污染等共模干扰。
在数据处理层面，微处理器采集解调后的特征信号，结合气室内的温度、压力传感器数据进行温度补偿和压力校正，消除环境变化对气体分子吸收线型及线强的影响，最终输出经过校准的氧气浓度数值。整个测量过程遵循朗伯-比尔吸收定律的数学描述，浓度值由透射光强与入射光强的比值关系经反演计算得出。该工作原理决定了传感器具有选择性好、响应迅速、无需消耗化学试剂且可进行非接触式测量的技术特征，适用于工业过程控制、环境监测及燃烧效率分析等氧气浓度检测场景。
