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光腔衰蕩光譜

一.什么是光腔衰蕩光譜

1.光腔(optical cavity)

光腔又稱(chēng)為光學(xué)諧振(頻率一致而產(chǎn)生幅值增強(qiáng)的現(xiàn)象)腔。其通常由兩面反射鏡形成的一個(gè)光學(xué)腔體結(jié)構(gòu)。在光腔衰蕩光譜法中,兩面反射鏡都為高反鏡,一面為參考鏡,另一面為被測(cè)鏡。光波會(huì)限制在腔體內(nèi)產(chǎn)生多次反射。

圖1 光在光腔中傳播示意圖

2.光腔衰蕩(cavity ring-down/CRD)

一束光照射進(jìn)由參考鏡和被測(cè)鏡組成的光腔中,光會(huì)在光腔中多次反射。由于反射鏡并不是百分百反射,有透射和吸收等損耗的影響。光的能量會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行一個(gè)衰減。這個(gè)過(guò)程就叫光腔衰蕩。

3.光腔衰蕩光譜(cavity ring-down spectroscopy/CRDS)

光腔衰蕩光譜是一種高靈敏度的光譜技術(shù),可以通過(guò)光的總損耗來(lái)精確地確定反射鏡的反射率。光腔衰蕩光譜又被稱(chēng)為光腔衰蕩激光吸收光譜(CRLAS)。
光腔衰蕩光譜一般分為脈沖光腔衰蕩光譜和連續(xù)波光腔衰蕩光譜。

光腔衰蕩光譜示意圖
圖2 光腔衰蕩光譜示意圖

二.什么是光譜儀

光譜儀(spectrometer)是一種科學(xué)儀器,用于分離和測(cè)量物理現(xiàn)象的光譜分量。其所測(cè)量的變量通常是光的強(qiáng)度,但也可以是例如偏振狀態(tài)。光譜儀主要由光源、色散組件(棱鏡或光柵)和探測(cè)器組成。用光電探測(cè)器接收色散信號(hào)的光譜儀同時(shí)被稱(chēng)為分光光度計(jì)。
對(duì)于一般光學(xué)元件的反射率測(cè)量中,常用商用光譜儀直接測(cè)量反射光譜,測(cè)量精確度往往依賴(lài)于儀器本身的精確度。

簡(jiǎn)易光譜儀示意圖
圖3 簡(jiǎn)易光譜儀示意圖

三.光腔衰蕩光譜的設(shè)備是什么?

光腔衰蕩光譜測(cè)量所使用的設(shè)備被稱(chēng)為光腔衰蕩光譜儀。
光腔衰蕩光譜儀與一般光譜儀有一些區(qū)別,其包含一個(gè)用于高精細(xì)度光腔的激光光源、構(gòu)成光腔的兩面高反鏡和探測(cè)器。
光腔衰蕩光譜儀測(cè)量的是,光強(qiáng)衰減為初始強(qiáng)度的 1/e 所需要的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間被稱(chēng)為“衰蕩時(shí)間”可以被用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的總損耗。

四.光腔衰蕩光譜的測(cè)試方法是什么?

  • 將光腔的兩面鏡子分別設(shè)置為參考鏡和被測(cè)鏡;
  • 將激光器的激光(脈沖/連續(xù))引入光腔,通過(guò)反射鏡的反射,往返光線因多次相長(zhǎng)干涉(頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的光的疊加增強(qiáng))迅速增強(qiáng);
  • 之后將激光迅速切斷,使用放置于反射鏡后的探測(cè)器探測(cè)從腔中逸出光強(qiáng)的衰減程度;
  • 通過(guò)衰蕩時(shí)間來(lái)計(jì)算相應(yīng)的激光往返一次的總損耗;
  • 更改參考反射鏡多次測(cè)量,確認(rèn)被測(cè)反射鏡的損耗,以獲得被測(cè)反射鏡的反射率及其反射光譜。

五.光腔衰蕩光譜的技術(shù)原理是什么

以脈沖光腔衰蕩光譜法做說(shuō)明。脈沖光被限制在空的光腔中做多次反射,因吸收和散射造成光束能量的衰減,其總損耗已被證明為與時(shí)間相關(guān)的指數(shù)函數(shù)。

I(t)=I0e-t/τ

在上式中,I(t)為在t時(shí)刻的光強(qiáng);I0為初始光強(qiáng);t為激光器被切斷的瞬間后光束限制在腔內(nèi)反射的時(shí)間;e為自然常數(shù),其值約為2.718;τ為衰減時(shí)間常數(shù),表示為It衰減到I0的1/e所需的時(shí)間,其值取決于腔內(nèi)的反射鏡的損耗和其它的一些光學(xué)損耗如散射等。τ用數(shù)學(xué)式可表示為:

τ=(n/c)*(2L/α)

在上式中,n為腔內(nèi)的折射率,一般情況下為空氣,則n=1;c為真空中的光速,其值為3×108m/s;L為腔體長(zhǎng)度,即兩面反射鏡中心的距離;α為系統(tǒng)往返一次的總損耗(包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學(xué)損耗),即我們關(guān)心的值。
總損耗包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學(xué)損耗,若假設(shè)兩面反射鏡的反射率R1=R2=R~1時(shí),由I(t)=I0(R1R2)(n*2L)/c可確認(rèn)總損耗:

α=-ln(R1R2)≈2(1-R)

但我們還有一種更精確的測(cè)試方式。
假設(shè)有三面反射鏡,M1、M2和M3。M1和M2為參考反射鏡,M3為被測(cè)反射鏡。通過(guò)上述方法我們可以獲得M1和M2的總損耗α12,M2和M3的總損耗α23,M1和M3的總損耗α13。由此可以很簡(jiǎn)單地得出被測(cè)反射鏡的單鏡損耗為:

α3=1/2(α231312)

    由上式,我們就可以獲得一個(gè)準(zhǔn)確率極高的反射率及反射光譜。

六.光腔衰蕩能測(cè)試的精度在多少

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