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腔衰荡技术原理 - 筱晓光子AOL实验室⑥

2023/1/6 8:59:42提供者: 筱晓(上海)光子技术有限公司 进入该公司展台
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 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,将衰荡信号调至大,如下图所示:

 

 

 

 

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标签:腔衰荡技术原理  

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