第08-09讲-第四章-激光吸收光谱技术(1).ppt

****设Aα为腔内放置样品后的吸收，Aα=log(In/I),A1为光通过样品一次的吸收：由腔的光子寿命τ决定激光腔内吸收光谱的检测灵敏度决定于光在腔内往返n次数，或腔的光子寿命2.3腔内吸收装置应用举例(I2蒸汽腔内吸收装置)折叠腔连续染料(R6G)激光器I2蒸汽吸收池，浓度由温度控制当腔内没有吸收时，入射的激光束产生强度相等的I2荧光谱线，光电倍增管输出强度相等的两个信号。若在吸收池内有痕量同位素如I127，由于激光在这一频率上的吸收，则外吸收池的荧光将出现下降，甚至被熄灭，而荧光池的荧光强度并无改变。等浓度的同位素I129，I127检测器I127I129腔内吸收光谱技术利用了谐振腔的谐振特性与激光的增益特性，成了一种高灵敏度的检测技术。实际上，利用被动谐振腔也可以实现高灵敏度的光谱检测，如：腔振铃吸收光谱(CRAS-CavityRing-downAbsorptionSpectroscopy)技术与腔增强吸收光谱(CEAS-CavityEnhancedAbsorptionSpectroscopy)技术。3外腔吸收光谱技术外腔吸收光谱技术需要使用高Q值的光学谐振腔。设想有一束激光入射到高Q值的光学谐振腔，当腔内逐步建立起来的光场达到一定强度时，通过光学开关瞬间切断入射光，则光学腔内光强I的时间变化为3.1高Q光腔中的光场腔镜的透射率谐振腔的两个反射镜间的距离结论：透射引起腔内光场能量的损耗，腔内光强以指数规律衰减。光电检测器接收透过腔后的光强，可记录腔内光强随时间的变化。这种指数规律衰减的光强变化被称为光腔的振铃效应(CavityRing-downEffect)。腔内建立的起始光强τ0=2L/cT腔的振铃时间图4-10高Q光腔中的腔内光强随时间的变化实际上一个高Q值光学谐振腔看作为一个长间距的法布里─珀罗干涉仪。腔内的光能损耗包括反射镜的透射损耗T与散射及吸收损耗S，腔内的光能守恒可以表述为R+T+S=1，因此谐振腔的总损耗为1-R=T+S，这里R为腔镜的有效反射率，它与腔镜的两个反射镜反射率R1，R2的关系为通常可对谐振腔定义一个精细常数，空腔的腔振铃时间τ0与反射率R的关系Δυ=c/2L为腔的纵模间隔腔的纵模宽度δυ=1/2τπ可见反射率R越高，腔振铃时间τ0越长。在外腔光谱技术中，R0.99，因而空腔的腔振铃时间τ0近似为设L=30cm，R=0.999腔内放进测试样品，则需在总损耗(1-R)中要加进样品吸收而引起的损耗，在光频率υ处的腔振铃时间τ(υ)为可见腔振铃腔的腔振铃时间由于吸收而减小其倒数为因此可以从腔振铃时间的倒数之差中求得被测分子的浓度：与分子浓度及吸收线强成正比假定腔的损耗与频率无关，样品吸收损耗是光频率函数，由光强的衰减速率可求得光谱区内样品在不同波长上对光的吸收。腔振铃吸收光谱(CRAS)技术是通过衰减速率对频率的关系获得吸收光谱。与通常吸收光谱技术测量样品对光吸收而引起强度变化不同，CRAS是测量因样品吸收而引起的腔内光强的衰变速率(时间)变化。可见CRAS测量与光源的光强涨落无关，这是CRAS的一个重要特点。由于所用光源的不同，CRAS又可分为脉冲激光的或连续激光的CRAS技术。3.2腔振铃吸收光谱(CRAS)技术脉冲CRAS是光腔被光脉冲激发后，光电检测器便可检测到光强的时间衰变。如果激光纵模与谐振腔的腔模之间没有达到匹配，腔内光场就会出现干涉现象。两者间的干涉将导致腔内光强涨落，从而干扰光谱测量，也就限制了腔振铃吸收光谱的灵敏度的提高。由于脉冲激光的相干长度较短，它是许多纵模合成的光束，可以使腔内的光场干涉变为小振幅的随机涨落，减轻对光谱测量干扰。(1)脉冲激光CRAS技术图4-11腔振铃吸收光谱的典型结构图4-12激光汽化与反应生成金属化合物的CRAS光谱测量装置激光汽化与反应生成金属化合物的CRAS吸收光谱测量的实验装置吸收光谱技术是建立在朗伯-比尔定律基础上的，激光光源的线宽必须远小于介质的吸收线宽，否则，腔内光强的衰减将不再遵循指数规律。连续波(cw)激光谱线的线宽比脉冲激光谱线窄得多，激光谱线远小于介质的吸收线宽实现测量的高分辨要求。连续外腔二极管激光器作激光源，其价格便宜、体积小，能高精度痕量气体测量的便携式装置。(2)连续波CRAS技术以cw激光对腔输入时，需要压电调制对腔长调制，使单频cw激光谱线与某腔模匹配。当该腔模上建立起足够强度，腔后光电检测器输出触发脉冲去驱动装置中的电光(EOM)或声光调制器(AOM)，快速地关断激光。当关断时间短于腔振铃时间，腔内出现光强度的指数衰减