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光腔衰蕩光譜檢測技術(shù) CRDS

光腔衰蕩光譜(Cavity Ring-Down Spectroscopy,CRDS),將脈沖激光束從線(xiàn)性共振腔的入射鏡射入共振腔,探測從出射鏡射出的光束。由于共振腔內光經(jīng)過(guò)反射鏡的透射,散射,吸收等損耗和共振腔內氣相基團的光吸收,射入光腔的光強度隨時(shí)間呈指數衰減,通過(guò)測量衰減時(shí)間與頻率的關(guān)系,就可以得到共振腔內基團的吸收光譜。

激光束在一個(gè)高反射率(通常R>99.9%)的諧振腔中反復傳輸,每在腔中來(lái)回反射一次,強度都會(huì )由于腔中介質(zhì)的吸收與散射,而降低一個(gè)固定的比例。于是腔內光脈沖的強度被確定為一個(gè)隨時(shí)間變化的指數函數。

I(t)=I0e-t/τ

工作原理是基于測量衰減率而不是絕對吸收。這是其擁有超過(guò)傳統光譜方法靈敏度的原因,因其免疫了激光脈沖的強度波動(dòng)。衰減常數,是光強從原有強度下降到 1/e 所用的時(shí)間,被稱(chēng)為衰蕩時(shí)間,和腔內的損耗機制相關(guān)。對于空腔,衰減常數依賴(lài)于鏡子的反射損耗和各種光學(xué)現象如散射和折射:

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其中n是腔內介質(zhì)的折射率,c是真空中的光速,l是腔長(cháng),R是鏡子反射率,并考慮到其他帶來(lái)光的損失的雜項X。 這個(gè)方程使用近似ln(1+x)≈x,x接近于零時(shí)成立,這符合一般光腔衰蕩光譜中的情況。通常,出于簡(jiǎn)化考慮,將雜項損失視作一個(gè)等效的反射損耗。當一個(gè)有吸收的樣品在腔內時(shí),根據比爾-朗伯定律,將增大損耗。假設該樣品充滿(mǎn)整個(gè)空腔,其中α是該樣品的吸收系數。


光腔衰蕩光譜技術(shù).jpg


技術(shù)優(yōu)勢:

1. 不會(huì )受到激光的強度波動(dòng)的影響。 在大多數吸收測量中,光源光強必須假定是穩定,不會(huì )因有無(wú)樣品而改變。任何光源光強的漂移都會(huì )在測量中引入誤差。 在光強衰蕩光譜中,衰蕩時(shí)間并不取決于激光的強度,則這種激光強度的波動(dòng)都不再是問(wèn)題。因其不依賴(lài)于激光強度,使得它不需要用到外部標準進(jìn)行校準或對照。

2.  非常長(cháng)的吸收長(cháng)度,非常靈敏。在吸收測量中,最小可探測吸收正比于樣品的吸收長(cháng)度。由于光在反射鏡之間被來(lái)回反射了很多次,使得它有非常長(cháng)的吸收長(cháng)度。例如,激光脈沖來(lái)回通過(guò)一個(gè)一米的光腔500次,就會(huì )帶來(lái)1公里的有效吸收長(cháng)度。

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