光腔衰蕩光譜技術(shù)原理
光腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）是上個(gè)世紀(jì)年代發(fā)明的一種氣體吸收光譜檢測(cè)技術(shù),，通過(guò)一對(duì)反射率超過(guò)99.99%的高反鏡組成一個(gè)光諧振腔,，大大地提升了光在腔內(nèi)的反射次數(shù)，也就提高了待測(cè)氣體的吸收光程,，根據(jù)光在腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間來(lái)檢測(cè)腔內(nèi)的待測(cè)氣體濃度,，很容易就能達(dá)到1ppm以內(nèi)的精確度。并且,，激光在腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間僅與腔鏡反射率和氣體吸收系數(shù)相關(guān),，與激光的功率穩(wěn)定性無(wú)關(guān)，這也是CRDS相較其他氣體檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),。
CRDS的基本原理如下圖所示,激光從準(zhǔn)直頭發(fā)出,，通過(guò)第一個(gè)高反鏡后,，大部分光被反射，透過(guò)的光在諧振腔中來(lái)回振蕩,，振蕩次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次,，很大程度上增加了吸收光程。根據(jù)Lambert-Beer定律,，當(dāng)一束入射光進(jìn)入諧振腔開(kāi)始衰蕩后,，PD探測(cè)器探測(cè)到光信號(hào)呈指數(shù)衰減，一直到光功率信號(hào)衰減至初始信號(hào)的1/e,，這段時(shí)間就是腔衰蕩時(shí)間,。
腔衰蕩時(shí)間用公式表示為：
其中L表示腔長(zhǎng)，α表示氣體吸收系數(shù),，C表示氣體濃度,，c表示光速，R表示腔鏡反射率,。當(dāng)R十分接近100%時(shí),，InR可以化簡(jiǎn)為1-R，因此,，在99.99%反射率的諧振腔中,，腔衰蕩時(shí)間可以化簡(jiǎn)為：
我們采用1653.7nm的DBF激光二極管作為光源,，進(jìn)行了CH4氣體探測(cè)的腔衰蕩光譜實(shí)驗(yàn),，通過(guò)可調(diào)的7.5mm準(zhǔn)直透鏡調(diào)節(jié)入射諧振腔的光斑。腔長(zhǎng)為0.5m,，一對(duì)高反腔鏡的反射率均大于99.99%,，曲率半徑為1m，計(jì)算可得,，腔內(nèi)諧振的光束腰半徑應(yīng)為0.477 mm,，在腔的正中心，并以此反推出入射光的束腰點(diǎn)和束腰半徑,。然后通過(guò)光斑分析儀觀察入射光,，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡的距離和準(zhǔn)直頭與入射腔鏡的距離，使得符合計(jì)算結(jié)果,。
諧振腔通光后,，以5Hz的速率掃描二極管激光器的電流，使得光頻能掃過(guò)至少一個(gè)自由光譜程，此時(shí)探測(cè)器已經(jīng)可以探測(cè)到空腔衰蕩信號(hào),，微調(diào)腔鏡角度,，將衰蕩信號(hào)調(diào)至最大，如下圖所示：
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