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光腔衰荡光谱检测技术 CRDS

光腔衰荡光谱(Cavity Ring-Down Spectroscopy,CRDS),将脉冲激光束从线性共振腔的入射镜射入共振腔,探测从出射镜射出的光束。由于共振腔内光经过反射镜的透射,散射,吸收等损耗和共振腔内气相基团的光吸收,射入光腔的光强度随时间呈指数衰减,通过测量衰减时间与频率的关系,就可以得到共振腔内基团的吸收光谱。

激光束在一个高反射率(通常R>99.9%)的谐振腔中反复传输,每在腔中来回反射一次,强度都会由于腔中介质的吸收与散射,而降低一个固定的比例。于是腔内光脉冲的强度被确定为一个随时间变化的指数函数。

I(t)=I0e-t/τ

工作原理是基于测量衰减率而不是绝对吸收。这是其拥有超过传统光谱方法灵敏度的原因,因其免疫了激光脉冲的强度波动。衰减常数,是光强从原有强度下降到 1/e 所用的时间,被称为衰荡时间,和腔内的损耗机制相关。对于空腔,衰减常数依赖于镜子的反射损耗和各种光学现象如散射和折射:

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其中n是腔内介质的折射率,c是真空中的光速,l是腔长,R是镜子反射率,并考虑到其他带来光的损失的杂项X。 这个方程使用近似ln(1+x)≈x,x接近于零时成立,这符合一般光腔衰荡光谱中的情况。通常,出于简化考虑,将杂项损失视作一个等效的反射损耗。当一个有吸收的样品在腔内时,根据比尔-朗伯定律,将增大损耗。假设该样品充满整个空腔,其中α是该样品的吸收系数。


光腔衰荡光谱技术.jpg


技术优势:

1. 不会受到激光的强度波动的影响。 在大多数吸收测量中,光源光强必须假定是稳定,不会因有无样品而改变。任何光源光强的漂移都会在测量中引入误差。 在光强衰荡光谱中,衰荡时间并不取决于激光的强度,则这种激光强度的波动都不再是问题。因其不依赖于激光强度,使得它不需要用到外部标准进行校准或对照。

2.  非常长的吸收长度,非常灵敏。在吸收测量中,最小可探测吸收正比于样品的吸收长度。由于光在反射镜之间被来回反射了很多次,使得它有非常长的吸收长度。例如,激光脉冲来回通过一个一米的光腔500次,就会带来1公里的有效吸收长度。

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