[发明专利]基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体是一种基于对数运算放大器的腔衰荡光谱装置及方法。 

背景技术

腔衰荡光谱技术(Cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种高灵敏的吸收光谱技术，常常用作痕量气体检测以及镜片反射率测量。根据比尔朗博定律，当一束强度为I0的光穿过气体吸收介质时，强度会由于介质的吸收而衰减，检测到的透射光强度将减小，而且光程越大，强度减小越明显。吸收光谱技术就是通过比较初始光强以及透射光强的变化关系从而反演出吸收介质的浓度。其中，腔衰荡光谱技术通过使用两片高反镜作为光学腔，将吸收光程大大增加，可以达到～km以上，从而增加了探测灵敏度，光进入光学腔后在两个高反镜之间来回反射，每一次反射都会由于吸收介质的吸收而衰减，腔后的透射光将呈现指数衰减的形式，通过测量透射光强的衰减时间得到腔内的吸收介质浓度。从以上过程可以看出，不同于其他光谱技术，腔衰荡光谱技术测量的是光强的时间特性，而不是强度特性，所以光强度的起伏对于测量并没有影响，从而对激光光源稳定性的依赖有所减小。同时，腔衰荡光谱技术是一种自校准的吸收光谱技术，测量得到的气体浓度是绝对气体浓度，不需要标气池进行定标，从而简化了装置的复杂度。CRDS的探测灵敏度达到10-7，与光声光谱及腔内吸收光谱技术的测量结果相当。 

CRDS的历史起源于1961年，当时Jackson通过通过改进法布里-珀罗腔增加了测量精度。1973年，Kastler测量到一束脉冲光进入法布里-珀罗腔后，由于镜面的反射损耗，在腔后检测到随指数衰减的信号。1980年，随着镀膜技术的革新，镜面反射率不断的提高，传统技术已经很难达到反射率测量的要求，Herbelin使用光学腔相移技术精确地得到了镜面反射率。1984年，Anderson首次提出使用腔衰荡技术测量镜面反射率。到了1988年，O’Keefe和Deacon首次提出了CRDS技术，并用脉冲激光器测量了O₂在630nm处得吸收线，但是由于脉冲激光器线宽宽，频率稳定度差，测量得到的分辨率很低。1996年D.Romanini提出基于连续激光器CRDS(CW-CRDS)，由于连续激光器的高重复率、高稳定度，噪声等效吸收达到10^-9/cm，从而将CRDS推向更广阔的舞台。 

腔衰荡光谱技术原理如图1所示，根据比尔朗博定律，当初始光强为I₀的激光束进入光学腔，由于腔镜上的损耗以及腔内介质吸收损耗，将在腔后检测到随指数衰减的光强： 

I=I0exp(-tτ)---(1)]]>

其中τ表示光强的衰荡时间，其大小与腔内介质的吸收以及腔镜的透射、散射、衍射等有关。由于光学腔长度远大于腔镜尺寸，而且光源为激光，有很好的单色性，腔镜的散射损耗以及衍射损耗可以忽略不计，则衰荡时间τ可以表示为： 

τ=Lc[αLC+lnR]---(2)]]>

其中，c表示光速，α表示介质的吸收系数，L表示腔长，R表示腔镜反射率。在腔衰荡光谱技术中，腔镜反射率R一般大于99%，lnR≈1-R。从而上式可改写为：