激光吸收光谱技术课件

第四章第四章 激光吸收光谱技术激光吸收光谱技术 1Laser spectroscopy and its application 第四章 激光吸收光谱技术 1Laser spectroscLaser spectroscopy and its application2第一节 基本吸收光谱技术第二节 高灵敏度吸收光谱技术第三节 耦合双共振与快速吸收光谱技术第四节 外场扫描吸收光谱技术第五节 光声与光热光谱技术Laser spectroscopy and its app1.Beer定律定律 当一束光穿过某种介质时，介质分子要对光产生吸当一束光穿过某种介质时，介质分子要对光产生吸收。为了获得某种分子在某个波段上的吸收光谱，通常收。为了获得某种分子在某个波段上的吸收光谱，通常采用一个发射连续谱的光源，通过透镜采用一个发射连续谱的光源，通过透镜L1将光源发出的将光源发出的光变成平行光束，然后通过充满该分子的吸收池，透射光变成平行光束，然后通过充满该分子的吸收池，透射光束经会聚透镜光束经会聚透镜L2会聚到光谱仪会聚到光谱仪(单色仪单色仪)的入口狭缝。的入口狭缝。第一节第一节 基本吸收光谱技术基本吸收光谱技术3Laser spectroscopy and its application1.Beer定律第一节 基本吸收光谱技术3Laser s图图4-1 传统吸收光谱实验装置传统吸收光谱实验装置4Laser spectroscopy and its application发射连续发射连续谱的光源谱的光源传统吸收光谱图4-1 传统吸收光谱实验装置4Laser spectroLaser spectroscopy and its application5 分分子子吸吸收收入入射射光光束束在在传传输输过过程程中中要要产产生生衰衰减减，用用光光谱谱仪仪作作波波长长选选择择器器，由由光光电电检检测测器器检检测测记记录录下下以以频频率率(或或波波长长)为为函函数数的的透透射射光光强强IT()，就就得得到到该该分分子子在在这个光谱区上的吸收光谱。这个光谱区上的吸收光谱。Laser spectroscopy and its app当当一一束束强强度度为为I0的的光光穿穿过过充充满满气气体体的的吸吸收收池池后后，其其强强度度会会因因分分子子吸吸收收而而衰衰减减。入入射射光光在在穿穿过过厚厚度度为为dl的的分分子子层层时时其其强强度度的的衰衰减量减量dI与传输到这里的光强与传输到这里的光强I成正比成正比：当当()为为与与光光强强无无关关的的常常数数时时，这这种种线线性性吸吸收收(dII)称称为为朗朗伯伯-比尔比尔(Lambert Beer)定律。定律。初始光强初始光强6Laser spectroscopy and its application表示单位路程上表示单位路程上吸收系数吸收系数当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后，其强度会因分子吸Laser spectroscopy and its application7光谱的形成：光谱的形成：Laser spectroscopy and its app在在光光谱谱工工作作中中，吸吸收收系系数数()是是一一个个重重要要得得测测量量参参数数，由由Beer定定律律可可知知，它它可可由由吸吸收收光光程程L与与测测量量透透过过样样品品的的光强光强IT()来计算来计算8Laser spectroscopy and its application一般气体样品一般气体样品吸收系数吸收系数()比较小：比较小：()xx1在光谱工作中，吸收系数()是一个重要得测量参数，由Bee爱爱因因斯斯坦坦的的能能级级跃跃迁迁:入入射射光光频频率率=(2-1)/h，分分子子才才能能吸吸收收入入射射光光。在在厚厚度度为为dl的的分分子子层层内内，强强度度为为I的的入入射射光光的的衰衰减减量量dI能能级级1上上的的粒粒子子数数与与辐辐射射场场的的能能量量密密度度()的乘积的乘积，什么是吸收系数什么是吸收系数()Laser spectroscopy and its application9能级能级12跃迁的爱因斯坦系数跃迁的爱因斯坦系数吸收跃迁几率吸收跃迁几率爱因斯坦的能级跃迁:入射光频率=(2-1)/h，分子什么是吸收线型什么是吸收线型Laser spectroscopy and its application10 为面积归一化函数为面积归一化函数（可能是：（可能是：Lorentz、Gauss、Voigt函数中函数中的一种）的一种）:cm什么是吸收线型Laser spectroscopy and 什么是吸收线强什么是吸收线强Laser spectroscopy and its application11分子吸收线强分子吸收线强浓度浓度压力压力S:cm-2/atmX:ConcentrationP:atm什么是吸收线强Laser spectroscopy and 什么是吸收线强什么是吸收线强配分函数配分函数跃迁对应的低跃迁对应的低能级能量能级能量Kelvin Kelvin 温度温度波数波数 cmcm-1-1波尔兹曼常数波尔兹曼常数普朗克常数普朗克常数什么是吸收线强配分函数跃迁对应的低能级能量Kelvin 温度考虑到考虑到()围绕中心频率围绕中心频率0存在线形分布：存在线形分布：()=0(0)(-0):什么是吸收系数什么是吸收系数()Laser spectroscopy and its application13用来估算吸收光用来估算吸收光谱技术的探测灵谱技术的探测灵敏度敏度考虑到()围绕中心频率0存在线形分布：()=0用吸收系数用吸收系数()表示表示Beer定律：定律：14Laser spectroscopy and its applicationS:cm-2/atmX:ConcentrationP:atm:cmL:cm用吸收系数()表示Beer定律：14Laser speLaser spectroscopy and its application15激光吸收光谱Laser spectroscopy and its appLaser spectroscopy and its application16Laser spectroscopy and its app激光所具有的特点是：激光所具有的特点是：谱线宽度极窄谱线宽度极窄相干性优良相干性优良光谱功率密度高光谱功率密度高波波长长可可调调谐谐(频频率率与与幅幅度度进行调制等进行调制等)激光吸收光谱特点激光吸收光谱特点17Laser spectroscopy and its application激光所具有的特点是：激光吸收光谱特点17Laser spec(1)有很高的光谱分辨率有很高的光谱分辨率 在在传传统统吸吸收收光光谱谱技技术术中中，光光谱谱的的分分辩辩率率受受到到谱谱线线展展宽宽效效应应的的限限制制，又又受受仪仪器器分分辨辨率率的的限限制制，例例如如受受到到分光元件分光元件(如光栅如光栅)分辨率和狭缝宽度等因素的影响。分辨率和狭缝宽度等因素的影响。激激光光光光谱谱中中使使用用线线宽宽很很窄窄的的激激光光光光源源，只只要要通通过过逐逐一一调调谐谐激激光光波波长长，就就可可从从光光电电检检测测器器直直接接给给出出以以波波长长(或或频频率率)为为函函数数的的透透射射光光强强I I1 1()。当当波波长长扫扫过过所所需测量的光谱区后，就得一幅吸收光谱谱图。需测量的光谱区后，就得一幅吸收光谱谱图。18Laser spectroscopy and its application(1)有很高的光谱分辨率18Laser spectros 因此因此当使用当使用线宽很窄线宽很窄的激光光源时，光谱分辨率的激光光源时，光谱分辨率主要决定于被测分子的谱线的展宽效应，不再受到光主要决定于被测分子的谱线的展宽效应，不再受到光谱仪器的限制。激光光源的线宽一般可以达到谱仪器的限制。激光光源的线宽一般可以达到10-510-8cm-1数量级数量级(也就是说也就是说MHzKHz)，用这样的窄谱光，用这样的窄谱光源就可获得原子分子的一些谱线中的精细结构。源就可获得原子分子的一些谱线中的精细结构。19Laser spectroscopy and its application 因此当使用线宽很窄的激光光源时，光谱分辨率主图图4-2 SF6分子的分子的3带的吸收光谱带的吸收光谱 20Laser spectroscopy and its application用用半半导导体体激激光光器器测测量量到到的的SF6分分子子的的3带带的的高高分分辨辨红红外外吸吸收收光光谱谱，其其分分辨辨率率达达到到31010-5cmcm-1，图图中中还还给给出出了了用用采采用用性性能能优优良良的的光光栅栅红红外外光光谱谱仪仪测测量量(分分辨辨率率0.07cm-1)所所测测的的同同一一个个光光谱谱，可可见见如如用用传传统统技技术术就就不不能能记记录录到到在在950cm-1波段附近的复杂光谱结构。波段附近的复杂光谱结构。图4-2 SF6分子的3带的吸收光谱 20Laser sp(2)2)很高的检测灵敏度很高的检测灵敏度 根据朗伯根据朗伯-比尔定律，吸收强度随吸收比尔定律，吸收强度随吸收光程光程增增加而增加，因而增加吸收光程亦可提高检测灵敏度。加而增加，因而增加吸收光程亦可提高检测灵敏度。普通光源的强度低发散角大，不能通过增长样品普通光源的强度低发散角大，不能通过增长样品池来提高检测灵敏度。池来提高检测灵敏度。激光是单色亮度高、准直性能好，可以用多次来激光是单色亮度高、准直性能好，可以用多次来回反射的样品池增加吸收光程。回反射的样品池增加吸收光程。对于吸收系数小，被检测粒子稀疏的物质，增加对于吸收系数小，被检测粒子稀疏的物质，增加吸收光程是一种很有效的提高检测灵敏度的办法吸收光程是一种很有效的提高检测灵敏度的办法。21Laser spectroscopy and its application(2)很高的检测灵敏度21Laser spectrosco图图4-3 激光吸收光谱测量原理装置激光吸收光谱测量原理装置22Laser spectroscopy and its application图4-3 激光吸收光谱测量原理装置22Laser spec 激光光源的激光光源的光谱功率密度光谱功率密度很高，因此探测器很高，因此探测器本身的噪声可以忽略不计。虽然激光强度起伏会影响本身的噪声可以忽略不计。虽然激光强度起伏会影响灵敏度，但可以采用平衡检测方法克服激光强度起伏灵敏度，但可以采用平衡检测方法克服激光强度起伏引起的影响。引起的影响。23Laser spectroscopy and its application 激光光源的光谱功率密度很高，因此探测器本身的噪声可以忽如：将入射激光如：将入射激光I()分成探测光束分成探测光束I1()=I()与参与参考光束考光束I2()=(1-)I()，为分束器的分束比。参为分束器的分束比。参考光束考光束I2()直接到达探测器直接到达探测器PD2;探测光束探测光束I1()在在穿过样品池后到达探测器穿过样品池后到达探测器PD1，光强为，光强为I1()，设，设被样品吸收的光强为被样品吸收的光强为I I()，则，则Laser spectroscopy and its application24如：将入射激光I()分成探测光束I1()=I()与参探测器探测器PD1与与PD2输出到平衡器，则平衡器的输出信号输出到平衡器，则平衡器的输出信号Is()比例于比例于当当=1/2时，时，Is()为为25Laser spectroscopy and its application吸收光谱吸收光谱探测器PD1与PD2输出到平衡器，则平衡器的输出信号Is(只只要要可可分分辩辩光光谱谱间间隔隔优优于于吸吸收收线线的的线线宽宽，检测灵敏度随着光谱分辨率检测灵敏度随着光谱分辨率/的增加而增加的增加而增加。设：单位吸收光程的相对强度衰减为设：单位吸收光程的相对强度衰减为假设在假设在间隔内间隔内I()基本保持不变，则有基本保持不变，则有26Laser spectroscopy and its application只要可分辩光谱间隔优于吸收线的线宽，检测灵敏度随用很窄的激光可得很小的光谱间隔用很窄的激光可得很小的光谱间隔，从而大大增加，从而大大增加了检测灵敏度。了检测灵敏度。27Laser spectroscopy and its application用很窄的激光可得很小的光谱间隔，从而大大增加了检测灵敏度(3)能实现高精度的光谱定标能实现高精度的光谱定标 激激光光在在入入射射光光束束在在进进入入样样品品池池之之前前用用一一分分束束器器分分出出一一束束弱弱光光，将将其其耦耦合合进进FP干干涉涉仪仪，当当调调谐谐激激光光频频率率时时，干干涉涉仪仪将将透透射射出出一一系系列列极极大大值值。两两极极大大值值之之间间的的间间距距由由干干涉涉仪仪的的自自由由光光谱谱区区ffsr决决定定(fsr=c/2nrL)，L为为干干涉涉仪仪两两反反射射镜镜间间的的距距离离。将将干干涉涉仪仪透透射射极极大大值值同同时记录到光谱图上，就完成了对光谱的波长标度。时记录到光谱图上，就完成了对光谱的波长标度。28Laser spectroscopy and its application(3)能实现高精度的光谱定标28Laser spectrLaser spectroscopy and its application29Laser spectroscopy and its app激光光谱的用途（1）Laser spectroscopy and its application30测量浓度测量浓度/成分识别成分识别激光光谱的用途（1）Laser spectroscopy a激光光谱的用途（2）Laser spectroscopy and its application31测量速度测量速度含有Doppler加宽宽度激光光谱的用途（2）Laser spectroscopy a激光光谱的用途（2）Laser spectroscopy and its application32测量速度测量速度激光光谱的用途（2）Laser spectroscopy a激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy and its application33测量温度测量温度激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy a激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy and its application34激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy a激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy and its application35测量温度测量温度激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy a提高激光光谱的探测灵敏度的方法：Laser spectroscopy and its application361、压制噪声2、选择S3、增大吸收路径提高激光光谱的探测灵敏度的方法：Laser spectros1.频率调制光谱技术频率调制光谱技术1.1 基本原理基本原理透过吸收池的光强来获得吸收光谱的背景噪声来源：透过吸收池的光强来获得吸收光谱的背景噪声来源：吸收池窗的吸收；吸收池窗的吸收；激光强度的起伏；激光强度的起伏；吸收池内被测分子的密度起伏。吸收池内被测分子的密度起伏。由由于于背背景景噪噪声声的的频频谱谱在在低低频频段段，采采用用对对激激光光频频率率进行高频调制的方法可以抑制这种低频背景噪声。进行高频调制的方法可以抑制这种低频背景噪声。第二节第二节 高灵敏度吸收光谱技术高灵敏度吸收光谱技术Laser spectroscopy and its application371.频率调制光谱技术第二节 高灵敏度吸收光谱技术LasLaser spectroscopy and its application38Laser spectroscopy and its app调制的具体方法根据激光器结构有不同特点：调制的具体方法根据激光器结构有不同特点：对对染染料料激激光光器器通通常常的的做做法法是是改改变变谐谐振振腔腔长长度度或或加加入标准具的方法进行调制入标准具的方法进行调制对对半半导导体体二二极极管管激激光光器器，可可以以对对电电流流进进行行交交流流调调制制。且且连连续续调调谐谐，对对于于在在中中红红外外区区光光谱谱区区进进行行分分子子振振动动和和转转动动的的高高光光谱谱分分辨辨率率检检测测提提供供了了非非常常优优越越的的光光源源。因因此此以以频频率率调调制制为为基基础础的的TDLAS迅迅速速发发展展起起来来，与与长长光光程程吸吸收收池池技技术术相相结结合合，成成为为一一种种重重要要的的痕痕量量气气体体检检测方法测方法。Laser spectroscopy and its application39调制的具体方法根据激光器结构有不同特点：Laser spec调制光谱技术：调制光谱技术：波长调制光谱与频率调制光谱波长调制光谱与频率调制光谱。两者的主要差别：两者的主要差别：调制频率和调制幅度调制频率和调制幅度波长调制：波长调制：调制幅度大调制幅度大(接近被测谱线的线宽接近被测谱线的线宽)，而调制，而调制频率较低频率较低(数数kHz到数十到数十kHz)；频率调制频率调制：调制幅度较小但调制频率很高调制幅度较小但调制频率很高(数百数百MHz，与被测谱线的线宽相当与被测谱线的线宽相当)。频率调制在数百频率调制在数百MHz的频率调制，各种噪声已降低到可的频率调制，各种噪声已降低到可忽略的水平，因此可以达到高的检测灵敏度。但频率调忽略的水平，因此可以达到高的检测灵敏度。但频率调制光谱的解调困难，检测结果的分析比较复杂，制光谱的解调困难，检测结果的分析比较复杂，因此波因此波长调制光谱相对实用长调制光谱相对实用。40Laser spectroscopy and its application调制光谱技术：波长调制光谱与频率调制光谱。40Laser s图图4-4 波长调制吸收光谱技术的示意图波长调制吸收光谱技术的示意图波长调制吸收光谱技术波长调制吸收光谱技术Laser spectroscopy and its application41函数发生器产生的数十函数发生器产生的数十Hz的线性扫描与数十的线性扫描与数十kHz频率频率m的正弦的正弦迭加信号，注入进二极管激光器，产生波长调制光谱。迭加信号，注入进二极管激光器，产生波长调制光谱。激激光光器器的的输输出出光光频频率率在在作作线线性性扫扫描描的的同同时时还还 受受 交交 流流 调调 制制Acosmt。受受调调制制吸吸收收信信号号经经光光电电检检测测器器检检测测后后送送入入相相敏敏检检波波器器检检测测出出样样品品的的吸吸收收光光谱。谱。图4-4 波长调制吸收光谱技术的示意图波长调制吸收光谱技术Laser spectroscopy and its application42Laser spectroscopy and its app图图4-5 波长调制的基本过程波长调制的基本过程43Laser spectroscopy and its application图4-5 波长调制的基本过程43Laser spectro波长调制所产生的吸收曲线特征：波长调制所产生的吸收曲线特征：对对于于一一次次谐谐波波解解调调，吸吸收收曲曲线线的的较较大大斜斜率率处处时时将产生幅度较大调制强度信号；将产生幅度较大调制强度信号；在在谱谱线线的的中中心心频频率率0两两侧侧，产产生生的的调调制制信信号号相相位相反；位相反；在在谱谱线线中中心心频频率率0处处，调调制制信信号号的的幅幅度度很很小小，且信号的调制频率的基频上升为且信号的调制频率的基频上升为2m。44Laser spectroscopy and its application波长调制所产生的吸收曲线特征：44Laser spectro 设吸收线的线宽为设吸收线的线宽为 G G ，当调制，当调制频率偏移远小于线频率偏移远小于线宽，宽，F=m，高阶项可以忽略。当在调制频率，高阶项可以忽略。当在调制频率m上进行相敏检测，就得强度比例于样品吸收的一阶导上进行相敏检测，就得强度比例于样品吸收的一阶导数的信号。数的信号。45Laser spectroscopy and its application 当吸收很弱当吸收很弱(PXSL()0.99，因而空腔的腔振铃时间，因而空腔的腔振铃时间0近似为近似为设设L=30cm，R=0.99969Laser spectroscopy and its application可见反射率R越高，腔振铃时间0越长。在外腔光谱技术中，R腔内放进测试样品，则需在总损耗腔内放进测试样品，则需在总损耗(1-R)中要加进样品中要加进样品吸收而引起的损耗，吸收而引起的损耗，在光频率在光频率处的腔振铃时间处的腔振铃时间()为为70Laser spectroscopy and its application可见腔振铃腔的腔振铃时间由于吸收而减小可见腔振铃腔的腔振铃时间由于吸收而减小腔内放进测试样品，则需在总损耗(1-R)中要加进样品吸收而引其倒数为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：浓度：71Laser spectroscopy and its application与分子浓度及吸收线与分子浓度及吸收线强成正比强成正比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：假假定定腔腔的的损损耗耗与与频频率率无无关关，样样品品吸吸收收损损耗耗是是光光频频率率函函数数，由由光光强强的的衰衰减减速速率率可可求求得得光光谱谱区区内内样样品品在在不不同同波波长长上上对对光光的的吸吸收收。腔腔振振铃铃吸吸收收光光谱谱(CRAS)CRAS)技技术术是是通通过过衰衰减减速速率率对对频频率率的的关关系系获获得得吸吸收收光光谱谱。与与通通常常吸吸收收光光谱谱技技术术测测量量样样品品对对光光吸吸收收而而引引起起强强度度变变化化不不同同，CRASCRAS是是测测量量因因样样品品吸吸收收而而引引起起的的腔腔内内光光强强的的衰衰变变速速率率(时时间间)变变化化。可可见见CRASCRAS测测量量与与光光源源的的光光强强涨涨落落无无关关，这这是是CRASCRAS的的一一个个重重要要特特点点。由由于于所所用用光光源源的的不不同同，CRASCRAS又又可可分分为为脉脉冲冲激激光光的的或连续激光的或连续激光的CRASCRAS技术技术。3.3.2 2 腔振铃吸收光谱腔振铃吸收光谱(CRAS)CRAS)技术技术Laser spectroscopy and its application72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 脉冲脉冲CRAS是光腔被光脉冲激发后，光电检测器便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。可检测到光强的时间衰变。如果激光纵模与谐振腔的腔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模之间没有达到匹配，腔内光场就会出现干涉现象。两。两者间的干涉将导致腔内光强涨落，从而干扰光谱测量，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。测量干扰。(1)(1)脉冲激光脉冲激光CRASCRAS技术技术Laser spectroscopy and its application73 脉冲CRAS是光腔被光脉冲激发后，光电检测器图图4-11 腔振铃吸收光谱的典型结构腔振铃吸收光谱的典型结构74Laser spectroscopy and its application图4-11 腔振铃吸收光谱的典型结构74Laser spec图图4-12 激光汽化与反应生成金属化合物的激光汽化与反应生成金属化合物的CRAS光光谱测量装置谱测量装置激光汽化与反应生成金属化合物的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测量的实验装置Laser spectroscopy and its application75图4-12 激光汽化与反应生成金属化合物的CRAS光谱测量 吸收光谱技术是建立在朗伯吸收光谱技术是建立在朗伯-比尔定律基础上的，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，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。腔内光强的衰减将不再遵循指数规律。连续波连续波(cw)(cw)激光谱线的线宽比脉冲激光谱线窄得多，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激光谱线远小于介质的吸收线宽实现实现测量测量的的高分辨要高分辨要求求。连续外腔二极管激光器作激光源，其价格便宜连续外腔二极管激光器作激光源，其价格便宜、体积体积小，能高精度痕量气体测量的便携式装置。小，能高精度痕量气体测量的便携式装置。(2)(2)连续波连续波CRASCRAS技术技术Laser spectroscopy and its application76 吸收光谱技术是建立在朗伯-比尔定律基础上的，激光光源 以以cwcw激激光光对对腔腔输输入入时时，需需要要压压电电调调制制对对腔腔长长调调制制，使使单单频频cwcw激激光光谱谱线线与与某某腔腔模模匹匹配配。当当该该腔腔模模上上建建立立起起足足够够强强度度，腔腔后后光光电电检检测测器器输输出出触触发发脉脉冲冲去去驱驱动动装装置置中中的的电电光光(EOM)(EOM)或或声声光光调调制制器器(AOM)(AOM)，快快速速地地关关断断激激光光。当当关关断断时时间间短短于于腔腔振振铃铃时时间间，腔腔内内出出现现光光强强度度的的指指数数衰衰减减。由由于于透透过过振振铃铃腔腔的的光光强强接接近近于于进进入入腔腔内内的的光光强强，所所检检测测到到的的CRASCRAS信信号号的的信信噪噪比比非非常常高高，其其光光谱谱分分辨辨率率只只与与激激发发腔腔的的谐谐振振宽宽度度有有关关，与与激激光光谱谱线线宽宽度度无无关关，所所以以cwcw激激光光CRASCRAS技术是高灵敏技术是高灵敏、高分辩的吸收光谱技术。高分辩的吸收光谱技术。77Laser spectroscopy and its application 以cw激光对腔输入时，需要压电调制对腔长调制，使单频外腔二极管激光作光源的外腔二极管激光作光源的cw-CRAS装置装置Laser spectroscopy and its application78波长波长410nm，最大功率最大功率4mW40dB110MHz外腔二极管激光作光源的cw-CRAS装置Laser spec振振铃铃腔腔为为高高精精细细度度谐谐振振腔腔，反反射射镜镜的的曲曲率率半半径径为为500mm，平平均均反反射射率率R=0.999956，一一个个腔腔镜镜装装置置在在压压电电传传感感器器上上，激激光光频频率率和和振振铃铃腔腔的的TEM00相相匹匹配配。当当信信号号强强度度达达到到某某一一选选定定的的数数值值时时，触触发发器器输输出出触触发发电电压压去去关关断断入入射射光光束束。利利用用本本装装置置对对NO2的的测测量量的的最最小小可可检检测测数数密密度度为为9.8*109分分子子cm-3，相当于大气条件下，相当于大气条件下0.4ppbv的浓度。的浓度。79Laser spectroscopy and its application振铃腔为高精细度谐振腔，反射镜的曲率半径为500mm，平均反 与与cw-CRAS一一样样，CEAS技技术术也也是是通通过过扫扫描描激激光光频频率率，使使之之与与谐谐振振腔腔某某一一腔腔模模频频率率共共振振而而激激发发腔腔内内光光场场。CEAS是是通通过过检检测测腔腔内内建建立立的的光光强强的的时时间间积积分分或或最最大大光光强强来来获获得得被被测测物物质质的的吸吸收收光光谱谱。因因此此在在入入射射光光路路中中不不必必设设置置如如电电光光或或声声光光调调制制器器那那样样的的用用于于快快速速切切断断光光路路的的元元件件，也也不不必必对对光光腔腔采采取取精精密密的的稳稳定定措措施施或或将将光光腔腔对对激激光光频频率率的的锁锁定定，从从而而在在装装置置的的结结构构上上要要比比CRAS简简单单得得多多，但可达到或接近但可达到或接近CRAS能达到的灵敏度。能达到的灵敏度。3.4 腔增强吸收光谱腔增强吸收光谱(CEAS)技术技术Laser spectroscopy and its application80 与cw-CRAS一样，CEAS技术也是通过 CEAS中激光器和光腔单独或同时地进行扫描，使激中激光器和光腔单独或同时地进行扫描，使激光频率与某个腔模光频率与某个腔模匹配匹配。假设腔模具有洛仑兹线型，其宽。假设腔模具有洛仑兹线型，其宽度比例于腔的损耗度比例于腔的损耗(即即1/)，其强度比例于，其强度比例于2，并，并设激光线设激光线宽远大于腔模宽度宽远大于腔模宽度(lasercavity)，腔内的最大光强将正，腔内的最大光强将正比于振铃时间比于振铃时间。当激光扫描速率很慢时，激光与腔模有足。当激光扫描速率很慢时，激光与腔模有足够长的共振时间，腔内光强将趋近于可达到的极值。当激够长的共振时间，腔内光强将趋近于可达到的极值。当激光与腔模失谐，光强将以光与腔模失谐，光强将以exp(-t/)指数衰减。指数衰减。通过时间积通过时间积分信号的倒数对激光频率曲线便可获得腔内物质在激光扫分信号的倒数对激光频率曲线便可获得腔内物质在激光扫描范围内的吸收谱线。描范围内的吸收谱线。81Laser spectroscopy and its application CEAS中激光器和光腔单独或同时地进行扫描，由由于于在在CEAS实实验验中中采采用用光光的的强强度度测测量量，因因此此光光源源的的光光强强涨涨落落对对测测量量结结果果产产生生影影响响。为为此此在在测测量量中中使使用用微微弱弱信信号号检检测测或或各各种种增增强强信信噪噪比比的的信信号号处处理理方方法法，进进一一步步提高检测灵敏度。提高检测灵敏度。82Laser spectroscopy and its application 由于在CEAS实验中采用光的强度测量，因此光图图4-14 使用锁相检测的使用锁相检测的CEAS光谱测量装置光谱测量装置83Laser spectroscopy and its application图4-14 使用锁相检测的CEAS光谱测量装置83LaseSensitivityfractional absorption10-410-510-610-710-810-910-1010-1110-1210-1310-3Direct AbsorptionWavelength ModulationNICE-OHMSIntracavityPhotoacousticCavity Ring-DownFrequency ModulationShot noise levelsingle pass ASShot noise levelhigh finesse cavityComplexityDirect Cavity-Enhanced84Sensitivity10-410-510-610-710-ECDLAbsorberGasOpticalIsolatorTransmissionDetection SN-levelDirect AbsorptionWMS/FMSCavity-EnhancedAbsorptionNICE-OHMSFractionalabsorptionLaserAbsorberGasOpticalIsolatorBeam shaping opticsEOM 1EOM 2ReflectionDetection Pound-Drever-HallLaser lock Error SignalPBS=FSRScanLock-inDetection WM-Dither 85NICE-OHMS Spectrometer Experimental SetupECDLAbsorberOpticalTransmissio