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筱曉(上海)光子技術(shù)有限...

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腔衰蕩技術(shù)原理 - 筱曉光子AOL實(shí)驗(yàn)室⑥

閱讀:1194      發(fā)布時(shí)間:2023-1-6
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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:




由上式可以推出,當(dāng)諧振腔內(nèi)沒(méi)有待測(cè)氣體時(shí),即C = 0,空腔衰蕩時(shí)間為:


結(jié)合二式,可以計(jì)算出氣體濃度:





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:





產(chǎn)品圖片產(chǎn)品名稱產(chǎn)品特點(diǎn)產(chǎn)品鏈接

1653.7nm DFB激光器

· 高輸出功率

· 窄線寬 

· 內(nèi)置TEC和熱敏電阻       

· 2 nm波長(zhǎng)可調(diào)

http://www.ld-pd。。com/?a=cp3&id=210

調(diào)焦光纖準(zhǔn)直器 (焦距4.5/7.5/11mm)

· 三種增透膜非球面透鏡選項(xiàng): 350- 700nm, 650-1050nm, 1050-1620nm

· 與兼容接頭一 起使用可以達(dá)到衍射極限性能

· 調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)準(zhǔn)誤差<15mrad

http://www.microphotons。。cn/?a=cpinfo&id=2328

超光滑超高反射率(>99.99%) 反射鏡

· 非常高的反射率

· 中心波長(zhǎng)可以定制

· 所有用于 CRD 實(shí)驗(yàn)的反射鏡都帶有背面增透膜

· 平面和球形彎曲熔融石英基材

· 優(yōu)質(zhì)拋光,RMS 粗糙度:≤ 1.5 ?

http://www.microphotons。。cn/?a=cpinfo&id=1905





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