腔衰蕩技術(shù)原理 - 筱曉光子AOL實(shí)驗(yàn)室⑥

更新時(shí)間：2023-01-06

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光腔衰蕩光譜技術(shù)原理

光腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）是上個(gè)世紀(jì)年代發(fā)明的一種氣體吸收光譜檢測(cè)技術(shù)，通過一對(duì)反射率超過99.99%的高反鏡組成一個(gè)光諧振腔，大大地提升了光在腔內(nèi)的反射次數(shù)，也就提高了待測(cè)氣體的吸收光程，根據(jù)光在腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間來(lái)檢測(cè)腔內(nèi)的待測(cè)氣體濃度，很容易就能達(dá)到1ppm以內(nèi)的精確度。并且，激光在腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間僅與腔鏡反射率和氣體吸收系數(shù)相關(guān)，與激光的功率穩(wěn)定性無(wú)關(guān)，這也是CRDS相較其他氣體檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

CRDS的基本原理如下圖所示,激光從準(zhǔn)直頭發(fā)出，通過第一個(gè)高反鏡后，大部分光被反射，透過的光在諧振腔中來(lái)回振蕩，振蕩次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次，很大程度上增加了吸收光程。根據(jù)Lambert-Beer定律，當(dāng)一束入射光進(jìn)入諧振腔開始衰蕩后，PD探測(cè)器探測(cè)到光信號(hào)呈指數(shù)衰減，一直到光功率信號(hào)衰減至初始信號(hào)的1/e，這段時(shí)間就是腔衰蕩時(shí)間。

腔衰蕩時(shí)間用公式表示為：

其中L表示腔長(zhǎng)，α表示氣體吸收系數(shù)，C表示氣體濃度，c表示光速，R表示腔鏡反射率。當(dāng)R十分接近100%時(shí)，InR可以化簡(jiǎn)為1-R，因此，在99.99%反射率的諧振腔中，腔衰蕩時(shí)間可以化簡(jiǎn)為：

由上式可以推出，當(dāng)諧振腔內(nèi)沒有待測(cè)氣體時(shí)，即C = 0，空腔衰蕩時(shí)間為：

結(jié)合二式，可以計(jì)算出氣體濃度：

我們采用1653.7nm的DBF激光二極管作為光源，進(jìn)行了CH4氣體探測(cè)的腔衰蕩光譜實(shí)驗(yàn)，通過可調(diào)的7.5mm準(zhǔn)直透鏡調(diào)節(jié)入射諧振腔的光斑。腔長(zhǎng)為0.5m，一對(duì)高反腔鏡的反射率均大于99.99%，曲率半徑為1m，計(jì)算可得，腔內(nèi)諧振的光束腰半徑應(yīng)為0.477 mm，在腔的正中心，并以此反推出入射光的束腰點(diǎn)和束腰半徑。然后通過光斑分析儀觀察入射光，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡的距離和準(zhǔn)直頭與入射腔鏡的距離，使得符合計(jì)算結(jié)果。

諧振腔通光后，以5Hz的速率掃描二極管激光器的電流，使得光頻能掃過至少一個(gè)自由光譜程，此時(shí)探測(cè)器已經(jīng)可以探測(cè)到空腔衰蕩信號(hào)，微調(diào)腔鏡角度，將衰蕩信號(hào)調(diào)至最大，如下圖所示：

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