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光腔衰荡光谱

一.什么是光腔衰荡光谱

1.光腔(optical cavity)

光腔又称为光学谐振(频率一致而产生幅值增强的现象)腔。其通常由两面反射镜形成的一个光学腔体结构。在光腔衰荡光谱法中,两面反射镜都为高反镜,一面为参考镜,另一面为被测镜。光波会限制在腔体内产生多次反射。

图1 光在光腔中传播示意图

2.光腔衰荡(cavity ring-down/CRD)

一束光照射进由参考镜和被测镜组成的光腔中,光会在光腔中多次反射。由于反射镜并不是百分百反射,有透射和吸收等损耗的影响。光的能量会随时间进行一个衰减。这个过程就叫光腔衰荡。

3.光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy/CRDS)

光腔衰荡光谱是一种高灵敏度的光谱技术,可以通过光的总损耗来精确地确定反射镜的反射率。光腔衰荡光谱又被称为光腔衰荡激光吸收光谱(CRLAS)。
光腔衰荡光谱一般分为脉冲光腔衰荡光谱和连续波光腔衰荡光谱。

光腔衰荡光谱示意图
图2 光腔衰荡光谱示意图

二.什么是光谱仪

光谱仪(spectrometer)是一种科学仪器,用于分离和测量物理现象的光谱分量。其所测量的变量通常是光的强度,但也可以是例如偏振状态。光谱仪主要由光源、色散组件(棱镜或光栅)和探测器组成。用光电探测器接收色散信号的光谱仪同时被称为分光光度计。
对于一般光学元件的反射率测量中,常用商用光谱仪直接测量反射光谱,测量精确度往往依赖于仪器本身的精确度。

简易光谱仪示意图
图3 简易光谱仪示意图

三.光腔衰荡光谱的设备是什么?

光腔衰荡光谱测量所使用的设备被称为光腔衰荡光谱仪。
光腔衰荡光谱仪与一般光谱仪有一些区别,其包含一个用于高精细度光腔的激光光源、构成光腔的两面高反镜和探测器。
光腔衰荡光谱仪测量的是,光强衰减为初始强度的 1/e 所需要的时间,这个时间被称为“衰荡时间”可以被用来计算系统的总损耗。

四.光腔衰荡光谱的测试方法是什么?

  • 将光腔的两面镜子分别设置为参考镜和被测镜;
  • 将激光器的激光(脉冲/连续)引入光腔,通过反射镜的反射,往返光线因多次相长干涉(频率相同、振动方向相同、相位差恒定的光的叠加增强)迅速增强;
  • 之后将激光迅速切断,使用放置于反射镜后的探测器探测从腔中逸出光强的衰减程度;
  • 通过衰荡时间来计算相应的激光往返一次的总损耗;
  • 更改参考反射镜多次测量,确认被测反射镜的损耗,以获得被测反射镜的反射率及其反射光谱。

五.光腔衰荡光谱的技术原理是什么

以脉冲光腔衰荡光谱法做说明。脉冲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减,其总损耗已被证明为与时间相关的指数函数。

I(t)=I0e-t/τ

在上式中,I(t)为在t时刻的光强;I0为初始光强;t为激光器被切断的瞬间后光束限制在腔内反射的时间;e为自然常数,其值约为2.718;τ为衰减时间常数,表示为It衰减到I0的1/e所需的时间,其值取决于腔内的反射镜的损耗和其它的一些光学损耗如散射等。τ用数学式可表示为:

τ=(n/c)*(2L/α)

在上式中,n为腔内的折射率,一般情况下为空气,则n=1;c为真空中的光速,其值为3×108m/s;L为腔体长度,即两面反射镜中心的距离;α为系统往返一次的总损耗(包括两面反射镜的透射损耗、吸收损耗和散射等其它光学损耗),即我们关心的值。
总损耗包括两面反射镜的透射损耗、吸收损耗和散射等其它光学损耗,若假设两面反射镜的反射率R1=R2=R~1时,由I(t)=I0(R1R2)(n*2L)/c可确认总损耗:

α=-ln(R1R2)≈2(1-R)

但我们还有一种更精确的测试方式。
假设有三面反射镜,M1、M2和M3。M1和M2为参考反射镜,M3为被测反射镜。通过上述方法我们可以获得M1和M2的总损耗α12,M2和M3的总损耗α23,M1和M3的总损耗α13。由此可以很简单地得出被测反射镜的单镜损耗为:

α3=1/2(α231312)

    由上式,我们就可以获得一个准确率极高的反射率及反射光谱。

六.光腔衰荡能测试的精度在多少

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