1、 1Laser spectroscopy and its application Laser 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1. 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
2、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 application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Laser spectroscopy and its application5 分子吸收入射光束在传输过
3、程中要产生衰减，用分子吸收入射光束在传输过程中要产生衰减，用光谱仪作波长选择器，由光电检测器检测记录下以频光谱仪作波长选择器，由光电检测器检测记录下以频率率(或波长或波长)为函数的透射光强为函数的透射光强IT()，就得到该分子在，就得到该分子在这个光谱区上的吸收光谱。这个光谱区上的吸收光谱。( )dIIdl 0( )/exp( ) IIL 当一束强度为当一束强度为I0的光穿过充满气体的吸收池后，其强度会的光穿过充满气体的吸收池后，其强度会因因分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为dl的分子层时其强度的的分子层时其强度的衰衰减量减量dI与传输到这里的光强与传输到这里
4、的光强I成正比成正比：当当()为与光强无关的常数时，这种线性吸收为与光强无关的常数时，这种线性吸收(dII)称为朗伯称为朗伯-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Laser spectroscopy and its application70( )exp( ) IIL 光谱的形成：光谱的形成： 0ln/TI IL 在光谱工作中，吸收系数在光谱工作中，吸收系数()是一个重要得测量参数是一个重要得测量参数，由由Beer定律可知，它可由吸收光程定律可知
5、，它可由吸收光程L与测量透过样品的与测量透过样品的光强光强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 1L 0( )( )exp( ) TIIL 121( )( )dIBNh dl 爱因斯坦爱因斯坦的能级跃迁的能级跃迁:入射入射光频率光频率=(2- 1)/h，分子才能，分子才能吸收入射光。在厚度为吸收入射光。在厚度为dl的分子层内，强度为的分子层内，强度为I的入射的入射光的衰减量光的衰减量dI能级能级1上的粒子数与辐射场的能量密度上的粒子数与辐射场的能量密度()的乘积的
6、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 ( )SXP什么是吸收线型什么是吸收线型Laser spectroscopy and its application10 ( )SXP 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）: cm0()1d 2201/ 24L202ln 22ln 2 /expDDD什么是吸收线强什么是吸收线强Laser spectroscopy and i
7、ts application11分子吸收线强分子吸收线强浓度浓度压力压力 ( )SXP S: cm-2/atmX: ConcentrationP: atm什么是吸收线强什么是吸收线强 00000110011( )hchcEhckTkTTkTS TQ TTeeS TeQ TT配分函数配分函数跃迁对应的跃迁对应的低能级能量低能级能量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0000( ) 2 2() =ln2 LDLDSXPSXP 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
8、吸收系数什么是吸收系数()Laser spectroscopy and its application130() 为峰值归一化函数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0( )( )exp( ) IIL 0ln()ISXPLI 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 ( )SXP Laser spectroscopy and its application15激光吸收光谱Laser spect
9、roscopy and its application16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长可调谐波长可调谐( (频率与幅度频率与幅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 (1) 有很高的光谱分辨率有很高的光谱分辨率 在传统吸收光谱技术中，光谱的分辩率受到谱线在传统吸收光谱技术中，光谱的分辩率受到谱线展宽效应的限制，又受仪器分辨率的限制，例如受到展宽效应的限制，又受仪器分辨率的限制，例如受到分光元件分光元件( (
10、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。 激光光谱中激光光谱中使用使用线宽很窄的激光光源，只要通过线宽很窄的激光光源，只要通过逐一调谐激光波长，就可从光电检测器直接给出以波逐一调谐激光波长，就可从光电检测器直接给出以波长长( (或频率或频率) )为函数的透射光强为函数的透射光强I I1 1( () )。当波长扫过所需。当波长扫过所需测量的光谱区后，就得一幅吸收光谱谱图。测量的光谱区后，就得一幅吸收光谱谱图。18Laser spectroscopy and its application 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
11、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用半导体激光
12、器测量到的用半导体激光器测量到的SF6分分子的子的3带的高分辨红外吸收光谱，带的高分辨红外吸收光谱，其分辨率达到其分辨率达到31010-5cmcm-1，图中还，图中还给出了用采用性能优良的光栅红给出了用采用性能优良的光栅红外光谱仪测量外光谱仪测量(分辨率分辨率0.07cm-1)所测的同一个光谱，可见如用传所测的同一个光谱，可见如用传统技术就不能记录到在统技术就不能记录到在950cm-1波段附近的复杂光谱结构。波段附近的复杂光谱结构。( (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
13、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图图4-3 激光吸收光谱
14、测量原理装置激光吸收光谱测量原理装置22Laser spectroscopy and its application 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 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
15、() ，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)()()( 11III21( )( )( )(1) ( )( )( )( )(12 ) ( )sIIIIIIII ( )( )sII 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
16、于当当=1/2时，时， Is()为为25Laser spectroscopy and its application吸收光谱吸收光谱0000/2/2/2/2( ) ( )( )IdIIId 00/2/2( )IdI只要可分辩光谱间隔只要可分辩光谱间隔优于吸收线的线宽优于吸收线的线宽，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( ) ( )( )IdId
17、00/2/21( )IdI 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 application00/2/2( )IdI0000/2/2/2/2( ) ( )( )IdIIId (3) 能实现高精度的光谱定标能实现高精度的光谱定标 激光在入射光束在进入样品池之前用一分束器分激光在入射光束在进入样品池之前用一分束器分出一束弱光，将其耦合进出一束弱光，将其耦合进FP干涉仪，当调谐激光频干涉仪，当调谐激光频率时，干涉仪将透射出一系列极大值。两极大值之间率时，干涉仪将透射出一
18、系列极大值。两极大值之间的间距由干涉仪的自由光谱区的间距由干涉仪的自由光谱区ffsr决定决定(fsr=c/2nrL)， L为干涉仪两反射镜间的距离。将干涉仪透射极大值同为干涉仪两反射镜间的距离。将干涉仪透射极大值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 applicationLaser spectroscopy and its application29激光光谱的用途（1）Laser spectroscopy and its application30 0ln()SPLXIdI测量浓度测量
19、浓度/ /成分识别成分识别 0ln()ILSXPLI 激光光谱的用途（2）Laser spectroscopy and its application31 0( )ln()( )SPLXII 测量速度测量速度含有Doppler加宽宽度 0ln()ISXPLI 0Vvvc2激光器光纤分束单模光纤激光光电探测器激光光谱的用途（2）Laser spectroscopy and its application322激光器光纤分束单模光纤激光光电探测器0(2sin )Vvvc 0Vvvc0(2sin ) vVvc测量速度测量速度激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy and its a
20、pplication33测量温度测量温度 0ln()ISXPLI 0111122202( )ln()( )( )ln()( )IIS T PLXS TR TST PLXSTII 1TRT激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy and its application34 00000110011( )hchcEhckTkTTkTS TQ TTeeS TeQ TT1201110112202,( ),hc EEkTTS TAR TeAST激光光谱的用途（3）Laser spectroscopy and its application35测量温度测量温度提高激光光谱的探测灵敏度的方法：
21、Laser spectroscopy and its application361、压制噪声2、选择S3、增大吸收路径 0ln()ISXPLI 1. 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。由于背景噪声的频谱在低频段，采用对激光频率由于背景噪声的频谱在低频段，采用对激光频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
22、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 application37Laser spectroscopy and its application38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：对染料激光器通常的做法是改变谐振腔长度或加对染料激光器通常的做法是改变谐振腔长度或加入标准具的方法进行调制入标准具的方法进行调制对半导体二极管激光器，可以对电流进行交流调对半导体二极管激光器，可以对电流进行交流调制。且连续调谐，对于在中红外区光谱区进行分子振制。且连续调谐，对于在中红外区光谱区进行分子振动和转
23、动的高光谱分辨率检测提供了非常优越的光源。动和转动的高光谱分辨率检测提供了非常优越的光源。因此因此以频率调制为基础的以频率调制为基础的TDLAS迅速发展起来，与长迅速发展起来，与长光程吸收池技术相结合，成为一种重要的痕量气体检光程吸收池技术相结合，成为一种重要的痕量气体检测方法测方法。Laser spectroscopy and its application39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
24、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 applicatio
25、n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。激光器的输出光频激光器的输出光频率在作线性扫描的率在作线性扫描的同时还受交流调制同时还受交流调制Acosmt。受调制吸。受调制吸收信号经光电检测收信号经光电检测器检测后送入相敏器检测后送入相敏检波器检测出样品检
26、波器检测出样品的吸收光谱。的吸收光谱。Laser spectroscopy and its application42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：对于一次谐波解调，吸收曲线的较大斜率处对于一次谐波解调，吸收曲线的较大斜率处时将产生幅度较大调制强度信号；时将产生幅度较大调制强度信号；在谱线的中心频率在谱线的中心频率0两侧，产生的调制信号相两侧，产生的调制信号相位相反；位相反；在谱线中心频率在谱线中心频率0处，调制信号的幅度很小，处，调制信
27、号的幅度很小，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 application000220023331( )( ) 1()cos()(1 cos2)2!21()(3coscos3)3!4TmmmmdPXSL dIIPXSLPXSLFtFtddPXSL dFttd 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
28、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 ( )SPX 1( )(1)LRLc 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 app
29、lication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 1( )(1)LRSPXLc 011( )SPXL 0111( )( )XPS 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 1( )(1)LRLc 与分子浓度及吸收与分子浓度及吸收线强成正比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，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
30、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。腔振铃吸收光谱光的吸收。腔振铃吸收光谱( (CRAS)CRAS)技术是通过衰减速技术是通过衰减速率对频率的关系获得吸收光谱。率对频率的关系获得吸收光谱。与通常吸收光谱技术测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，量样品对光吸收而引起强度变化不同，CRASCRAS是测量因是测量因样品吸收而引起的腔内光强的衰变速率样品吸收而引起的腔内光强的衰变速率( (时间时间) )变化变化。可见可见CRASCRAS测量与光源的光强涨落无关，这是测量与光源的光强涨落无关，这是CRASCRAS的一的一个重要特点。个重要特点。由于所用光源的不同，
31、由于所用光源的不同，CRASCRAS又可分为脉又可分为脉冲激光的或连续激光的冲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 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
32、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
33、 and its application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 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
34、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、体体积小，能高精度痕量气体测量的便携式装置。积小，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 以以cwcw激光对腔输入时，需要压电调制对腔长调制，激光对腔输入时，需要压电调制对腔长调制，使单频使单频cwcw
35、激光谱激光谱线线与某腔模匹配与某腔模匹配。当该腔模上建立起足。当该腔模上建立起足够强度够强度，腔后光电检测器输出触发脉冲去驱动装置中的腔后光电检测器输出触发脉冲去驱动装置中的电光电光(EOM)(EOM)或声光调制器或声光调制器(AOM)(AOM)，快速地关断激光。，快速地关断激光。当当关关断时间短于腔振铃时间断时间短于腔振铃时间，腔内出现光强度的指数衰减。，腔内出现光强度的指数衰减。由于透过振铃腔的光强接近于进入腔内的光强，所检测由于透过振铃腔的光强接近于进入腔内的光强，所检测到的到的CRASCRAS信号的信噪比非常高，信号的信噪比非常高，其光谱分辨率只与激发其光谱分辨率只与激发腔的谐振宽度有
36、关，与激光谱线宽度无关腔的谐振宽度有关，与激光谱线宽度无关，所以，所以cwcw激光激光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振铃腔为高精细度谐振腔，反射镜的曲率半径为振铃腔为高精细度谐振腔，反射镜的曲率半径为500mm，平均反射率平均反射率R=0.999956，一
37、个腔镜装置在压电传感器上，一个腔镜装置在压电传感器上，激光频率和振铃腔的激光频率和振铃腔的TEM00相匹配。当信号强度达到某一相匹配。当信号强度达到某一选定的数值时，触发器输出触发电压去关断入射光束。利选定的数值时，触发器输出触发电压去关断入射光束。利用本装置对用本装置对NO2的测量的最小可检测数密度为的测量的最小可检测数密度为9.8*109分子分子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 与与cw-CRAS一样，一样，CEAS技术也是通过扫描激光技术也是通过扫描激光频率，使之与谐
38、振腔某一腔模频率共振而激发腔内光频率，使之与谐振腔某一腔模频率共振而激发腔内光场。场。CEAS是通过检测腔内建立的光强的时间积分或最是通过检测腔内建立的光强的时间积分或最大光强来获得被测物质的吸收光谱大光强来获得被测物质的吸收光谱。因此在入射光路。因此在入射光路中不必设置如电光或声光调制器那样的用于快速切断中不必设置如电光或声光调制器那样的用于快速切断光路的元件，也不必对光腔采取精密的稳定措施或将光路的元件，也不必对光腔采取精密的稳定措施或将光腔对激光频率的锁定，从而在装置的结构上要比光腔对激光频率的锁定，从而在装置的结构上要比CRAS简单得多，但可达到或接近简单得多，但可达到或接近CRAS能
39、达到的灵敏能达到的灵敏度。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 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
40、，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 由于在由于在CEAS实验中采用光的强度测量，因此光源实验中采用光的强度测量，因此光源的光强涨落对测量结果产生影响。为此在测
41、量中使用微的光强涨落对测量结果产生影响。为此在测量中使用微弱信号检测或各种增强信噪比的信号处理方法，进一步弱信号检测或各种增强信噪比的信号处理方法，进一步提高检测灵敏度。提高检测灵敏度。82Laser spectroscopy and its application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 applicationSensitivityfractional absorption10-410-510-610-710-810-910-1010-1110-1210-1310-3Direct Abs
42、orptionWavelength ModulationNICE-OHMSIntracavityPhotoacousticCavity Ring-DownFrequency ModulationShot noise levelsingle pass ASShot noise levelhigh finesse cavityComplexityDirect Cavity-Enhanced84571010891010ECDLAbsorberGasOpticalIsolatorTransmissionDetection 3101310SN-levelDirect AbsorptionWMS/FMSCavity-EnhancedAbsorptionNICE-OHMSFractionalabsorptionLaserAbsorberGasOpticalIsolatorBeam shaping opticsEOM 1/ 4EOM 2ReflectionDetection Pound-Drever-HallLaser lock Error SignalPBS=FSRScanLock-inDetection WM-Dither ff101085NICE-OHMS Spectrometer Experimental Setup
