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光腔衰蕩光譜

一.什么是光腔衰蕩光譜

1.光腔(optical cavity)

光腔又稱為光學諧振(頻率一致而產生幅值增強的現象)腔。其通常由兩面反射鏡形成的一個光學腔體結構。在光腔衰蕩光譜法中,兩面反射鏡都為高反鏡,一面為參考鏡,另一面為被測鏡。光波會限制在腔體內產生多次反射。

圖1 光在光腔中傳播示意圖

2.光腔衰蕩(cavity ring-down/CRD)

一束光照射進由參考鏡和被測鏡組成的光腔中,光會在光腔中多次反射。由于反射鏡并不是百分百反射,有透射和吸收等損耗的影響。光的能量會隨時間進行一個衰減。這個過程就叫光腔衰蕩。

3.光腔衰蕩光譜(cavity ring-down spectroscopy/CRDS)

光腔衰蕩光譜是一種高靈敏度的光譜技術,可以通過光的總損耗來精確地確定反射鏡的反射率。光腔衰蕩光譜又被稱為光腔衰蕩激光吸收光譜(CRLAS)。
光腔衰蕩光譜一般分為脈沖光腔衰蕩光譜和連續波光腔衰蕩光譜。

光腔衰蕩光譜示意圖
圖2 光腔衰蕩光譜示意圖

二.什么是光譜儀

光譜儀(spectrometer)是一種科學儀器,用于分離和測量物理現象的光譜分量。其所測量的變量通常是光的強度,但也可以是例如偏振狀態。光譜儀主要由光源、色散組件(棱鏡或光柵)和探測器組成。用光電探測器接收色散信號的光譜儀同時被稱為分光光度計。
對于一般光學元件的反射率測量中,常用商用光譜儀直接測量反射光譜,測量精確度往往依賴于儀器本身的精確度。

簡易光譜儀示意圖
圖3 簡易光譜儀示意圖

三.光腔衰蕩光譜的設備是什么?

光腔衰蕩光譜測量所使用的設備被稱為光腔衰蕩光譜儀。
光腔衰蕩光譜儀與一般光譜儀有一些區別,其包含一個用于高精細度光腔的激光光源、構成光腔的兩面高反鏡和探測器。
光腔衰蕩光譜儀測量的是,光強衰減為初始強度的 1/e 所需要的時間,這個時間被稱為“衰蕩時間”可以被用來計算系統的總損耗。

四.光腔衰蕩光譜的測試方法是什么?

  • 將光腔的兩面鏡子分別設置為參考鏡和被測鏡;
  • 將激光器的激光(脈沖/連續)引入光腔,通過反射鏡的反射,往返光線因多次相長干涉(頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的光的疊加增強)迅速增強;
  • 之后將激光迅速切斷,使用放置于反射鏡后的探測器探測從腔中逸出光強的衰減程度;
  • 通過衰蕩時間來計算相應的激光往返一次的總損耗;
  • 更改參考反射鏡多次測量,確認被測反射鏡的損耗,以獲得被測反射鏡的反射率及其反射光譜。

五.光腔衰蕩光譜的技術原理是什么

以脈沖光腔衰蕩光譜法做說明。脈沖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減,其總損耗已被證明為與時間相關的指數函數。

I(t)=I0e-t/τ

在上式中,I(t)為在t時刻的光強;I0為初始光強;t為激光器被切斷的瞬間后光束限制在腔內反射的時間;e為自然常數,其值約為2.718;τ為衰減時間常數,表示為It衰減到I0的1/e所需的時間,其值取決于腔內的反射鏡的損耗和其它的一些光學損耗如散射等。τ用數學式可表示為:

τ=(n/c)*(2L/α)

在上式中,n為腔內的折射率,一般情況下為空氣,則n=1;c為真空中的光速,其值為3×108m/s;L為腔體長度,即兩面反射鏡中心的距離;α為系統往返一次的總損耗(包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學損耗),即我們關心的值。
總損耗包括兩面反射鏡的透射損耗、吸收損耗和散射等其它光學損耗,若假設兩面反射鏡的反射率R1=R2=R~1時,由I(t)=I0(R1R2)(n*2L)/c可確認總損耗:

α=-ln(R1R2)≈2(1-R)

但我們還有一種更精確的測試方式。
假設有三面反射鏡,M1、M2和M3。M1和M2為參考反射鏡,M3為被測反射鏡。通過上述方法我們可以獲得M1和M2的總損耗α12,M2和M3的總損耗α23,M1和M3的總損耗α13。由此可以很簡單地得出被測反射鏡的單鏡損耗為:

α3=1/2(α231312)

    由上式,我們就可以獲得一個準確率極高的反射率及反射光譜。

六.光腔衰蕩能測試的精度在多少

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