腔衰蕩技術原理 - 筱曉光子AOL實驗室⑥

更新時間：2023-01-06

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光腔衰蕩光譜技術原理

光腔衰蕩光譜技術（CRDS）是上個世紀年代發明的一種氣體吸收光譜檢測技術，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的反射次數，也就提高了待測氣體的吸收光程，根據光在腔內的衰蕩時間來檢測腔內的待測氣體濃度，很容易就能達到1ppm以內的精確度。并且，激光在腔內的衰蕩時間僅與腔鏡反射率和氣體吸收系數相關，與激光的功率穩定性無關，這也是CRDS相較其他氣體檢測技術的優點。

CRDS的基本原理如下圖所示,激光從準直頭發出，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，振蕩次數可達上萬次，很大程度上增加了吸收光程。根據Lambert-Beer定律，當一束入射光進入諧振腔開始衰蕩后，PD探測器探測到光信號呈指數衰減，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，C表示氣體濃度，c表示光速，R表示腔鏡反射率。當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，當諧振腔內沒有待測氣體時，即C = 0，空腔衰蕩時間為：

結合二式，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，進行了CH4氣體探測的腔衰蕩光譜實驗，通過可調的7.5mm準直透鏡調節入射諧振腔的光斑。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，腔內諧振的光束腰半徑應為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，調節準直透鏡的距離和準直頭與入射腔鏡的距離，使得符合計算結果。

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，此時探測器已經可以探測到空腔衰蕩信號，微調腔鏡角度，將衰蕩信號調至最大，如下圖所示：

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