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腔衰荡技术原理 - 筱晓光子AOL实验室⑥

更新时间：2023-01-06点击次数：1869

光腔衰荡光谱技术原理


光腔衰荡光谱技术（CRDS）是上个世纪年代发明的一种气体吸收光谱检测技术，通过一对反射率超过99.99%的高反镜组成一个光谐振腔，大大地提升了光在腔内的反射次数，也就提高了待测气体的吸收光程，根据光在腔内的衰荡时间来检测腔内的待测气体浓度，很容易就能达到1ppm以内的精确度。并且，激光在腔内的衰荡时间仅与腔镜反射率和气体吸收系数相关，与激光的功率稳定性无关，这也是CRDS相较其他气体检测技术的优点。


CRDS的基本原理如下图所示,激光从准直头发出，通过第一个高反镜后，大部分光被反射，透过的光在谐振腔中来回振荡，振荡次数可达上万次，很大程度上增加了吸收光程。根据Lambert-Beer定律，当一束入射光进入谐振腔开始衰荡后，PD探测器探测到光信号呈指数衰减，一直到光功率信号衰减至初始信号的1/e，这段时间就是腔衰荡时间。



腔衰荡时间用公式表示为：


其中L表示腔长，α表示气体吸收系数，C表示气体浓度，c表示光速，R表示腔镜反射率。当R十分接近100%时，InR可以化简为1-R，因此，在99.99%反射率的谐振腔中，腔衰荡时间可以化简为：




由上式可以推出，当谐振腔内没有待测气体时，即C = 0，空腔衰荡时间为：


结合二式，可以计算出气体浓度：





我们采用1653.7nm的DBF激光二极管作为光源，进行了CH4气体探测的腔衰荡光谱实验，通过可调的7.5mm准直透镜调节入射谐振腔的光斑。腔长为0.5m，一对高反腔镜的反射率均大于99.99%，曲率半径为1m，计算可得，腔内谐振的光束腰半径应为0.477 mm，在腔的正中心，并以此反推出入射光的束腰点和束腰半径。然后通过光斑分析仪观察入射光，调节准直透镜的距离和准直头与入射腔镜的距离，使得符合计算结果。



谐振腔通光后，以5Hz的速率扫描二极管激光器的电流，使得光频能扫过至少一个自由光谱程，此时探测器已经可以探测到空腔衰荡信号，微调腔镜角度，将衰荡信号调至最大，如下图所示：





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