腔衰蕩技術(shù)原理 - 筱曉光子AOL實驗室⑥

更新時間：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）是上個世紀(jì)年代發(fā)明的一種氣體吸收光譜檢測技術(shù)，通過一對反射率超過99.99%的高反鏡組成一個光諧振腔，大大地提升了光在腔內(nèi)的反射次數(shù)，也就提高了待測氣體的吸收光程，根據(jù)光在腔內(nèi)的衰蕩時間來檢測腔內(nèi)的待測氣體濃度，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)定性無關(guān)，這也是CRDS相較其他氣體檢測技術(shù)的優(yōu)點。

CRDS的基本原理如下圖所示,激光從準(zhǔn)直頭發(fā)出，通過第一個高反鏡后，大部分光被反射，透過的光在諧振腔中來回振蕩，振蕩次數(shù)可達(dá)上萬次，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探測器探測到光信號呈指數(shù)衰減，一直到光功率信號衰減至初始信號的1/e，這段時間就是腔衰蕩時間。

腔衰蕩時間用公式表示為：

其中L表示腔長，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，InR可以化簡為1-R，因此，在99.99%反射率的諧振腔中，腔衰蕩時間可以化簡為：

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

結(jié)合二式，可以計算出氣體濃度：

我們采用1653.7nm的DBF激光二極管作為光源，進(jìn)行了CH4氣體探測的腔衰蕩光譜實驗，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。腔長為0.5m，一對高反腔鏡的反射率均大于99.99%，曲率半徑為1m，計算可得，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自由光譜程，此時探測器已經(jīng)可以探測到空腔衰蕩信號，微調(diào)腔鏡角度，將衰蕩信號調(diào)至最大，如下圖所示：

產(chǎn)品圖片	產(chǎn)品名稱	產(chǎn)品特點	產(chǎn)品鏈接
	1653.7nm DFB激光器	· 高輸出功率 · 窄線寬 · 內(nèi)置TEC和熱敏電阻 · 2 nm波長可調(diào)	http://www.ld-pd。。ｃｏｍ/?a=cp3&id=210
	調(diào)焦光纖準(zhǔn)直器 (焦距4.5/7.5/11mm)	· 三種增透膜非球面透鏡選項: 350- 700nm, 650-1050nm, 1050-1620nm · 與兼容接頭一起使用可以達(dá)到衍射極限性能 · 調(diào)節(jié)時對準(zhǔn)誤差<15mrad	http://www.microphotons。。ｃｎ/?a=cpinfo&id=2328
	超光滑超高反射率(＞99.99%) 反射鏡	· 非常高的反射率 · 中心波長可以定制 · 所有用于 CRD 實驗的反射鏡都帶有背面增透膜 · 平面和球形彎曲熔融石英基材 · 優(yōu)質(zhì)拋光，RMS 粗糙度：≤ 1.5 ?	http://www.microphotons。。ｃｎ/?a=cpinfo&id=1905

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