[发明专利]一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种折叠型腔衰荡光谱系统中纹波效应的减弱方法，它属于新型激光吸收光谱技术研究及应用领域。

背景技术

光谱技术的产生和发展曾为人类认识和了解物质世界作出过杰出贡献。自产生之日起，光谱技术便不停发展和壮大，特别是20世纪60年代，激光技术的出现更让光谱技术发展如虎添翼，使得它成为分析化学与物理化学领域中的强有力工具，在物质的定性及定量测量中得到广泛应用。根据光谱产生的方式，光谱技术通常可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱及荧光光谱等。无论何种光谱技术，光谱分辨率、探测灵敏度都是光谱技术研究的两个核心问题。激光技术出现以前，由于没有理想的光源，光谱技术研究及应用发展较为缓慢；激光技术的出现为光谱技术注入新的活力，使得传统常规的光谱技术在光谱分辨率和探测灵敏度两方面均获得突破，系列高光谱分辨率、高测量灵敏度的新型激光光谱技术不断涌现和发展，如激光腔内吸收光谱技术、激光光声光谱技术、激光诱导荧光光谱技术、腔衰荡光谱及其改进光谱技术等。

腔衰荡光谱技术是近些年来兴起的一种新型高灵敏度激光光谱技术，其性能可与激光光声光谱及激光诱导荧光光谱等高灵敏度技术相媲美，其实质仍是一种直接吸收光谱技术。该技术的出现最早可追溯到20世纪80年代初，人们为了解决高反射率镜片(以下简称高反镜)的损耗测定问题而发明的腔衰荡技术(Cavity Ring-Down Technique)。1984年，美国Anderson等人首次利用该技术通过测量光在光学谐振腔腔内的衰减时间来反演出腔的损耗值，由此将高反镜的损耗测量精度提高到0.0005％。随后，国际商业市场上便出现了一种光学薄膜损耗测量的标准仪器，即“Lossmeter”——腔损仪。1988年，O’Keefe等人在宽光谱腔损仪的研制过程中意识到腔衰荡技术除了可用于测定光学镜片损耗外，还能被用于准确测量光腔内气态介质的吸收光谱。随后，他们首次利用该技术对600nm～700nm可见光波段范围内氧分子禁戒跃迁吸收光谱进行了测量，由此产生出了一种新型的光谱技术-腔衰荡光谱技术(Cavity Ring-Down Spectroscopy，简称CRDS)。腔衰荡光谱技术因其具有结构简单、测量精度高以及测量结果无需标定等特点，目前已成为光谱学领域的标准测量方法。除了被应用于吸收光谱测量外，CRDS还常被应用于气体分析和浓度检测等领域。目前，基于腔衰荡光谱技术的商业化产品已经出现，如Tiger Optics、Piccaro公司的气体分析仪系列产品等。腔衰荡光谱系统中，核心器件就是低损耗的光学谐振腔，其性能直接关系到光谱系统最终精度。在过去的研究和应用中，绝大多数腔衰荡光谱系统都不约而同地采用直腔或环形腔结构，而对折叠型结构研究甚少，且除国内国防科技大学课题组所做的前期工作外，有关折叠型腔衰荡光谱技术研究的绝大部分研究都集中在法国D.Romanini和J.Morville等人的团队。这种状况的出现除了与折叠型腔衰荡光谱系统结构相对复杂、折叠腔加工及调节精度要求高等因素有关外，还与该系统中存在的一种特殊物理现象——纹波效应有关，这种现象的出现使得光谱系统的数据处理变得复杂、系统的测量灵敏度降低[详细情况请见：Tan Zhongqi,Wu Suyong,Liu Jianping,Yang Kaiyong,Long Xingwu.Spectrum data processing in optical-feedback cavity ring-down spectroscopy[J].High Power Laser and Particle Beams,2014,26(10):26101006-]。所谓纹波效应是指折叠型腔衰荡光谱系统测得的折叠腔损耗值随着激光波长的扫描出现类似正弦的周期性变化现象，有关该纹波效应的报导最早可追溯到1999年，D.Romanini等人在他们建立的光反馈折叠型腔衰荡光谱系统的实验研究中首先观察到此现象，但当时他们仅把这种现象看成一种测量噪声，并未对其进行探讨。2004年起，J.Morville等人在光反馈腔衰荡光谱系统的研究中再次提及该现象，对它进行了较为详细的描述，并对该效应的起因进行了简单的分析，但并未提及消弱该效应的方法。除此以外，尚未见国内外其它单位开展折叠型腔衰荡光谱及其相关技术的研究。