[發明專利]一種折疊型腔衰蕩光譜系統中紋波效應的減弱方法

在審

• 申請號: 201510348565.3
• 申請日: 2015-06-23
• 公開（公告）號: CN104897573A
• 公開（公告）日: 2015-09-09
• 發明（設計）人: 譚中奇;龍興武;羅暉;黃云;劉賤平;楊開勇;吳素勇;張軼博;張曉寶
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/39
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 李振

技術領域

本發明涉及一種折疊型腔衰蕩光譜系統中紋波效應的減弱方法，它屬于新型激光吸收光譜技術研究及應用領域。

背景技術

光譜技術的產生和發展曾為人類認識和了解物質世界作出過杰出貢獻。自產生之日起，光譜技術便不停發展和壯大，特別是20世紀60年代，激光技術的出現更讓光譜技術發展如虎添翼，使得它成為分析化學與物理化學領域中的強有力工具，在物質的定性及定量測量中得到廣泛應用。根據光譜產生的方式，光譜技術通常可分為吸收光譜、發射光譜、散射光譜及熒光光譜等。無論何種光譜技術，光譜分辨率、探測靈敏度都是光譜技術研究的兩個核心問題。激光技術出現以前，由于沒有理想的光源，光譜技術研究及應用發展較為緩慢；激光技術的出現為光譜技術注入新的活力，使得傳統常規的光譜技術在光譜分辨率和探測靈敏度兩方面均獲得突破，系列高光譜分辨率、高測量靈敏度的新型激光光譜技術不斷涌現和發展，如激光腔內吸收光譜技術、激光光聲光譜技術、激光誘導熒光光譜技術、腔衰蕩光譜及其改進光譜技術等。

腔衰蕩光譜技術是近些年來興起的一種新型高靈敏度激光光譜技術，其性能可與激光光聲光譜及激光誘導熒光光譜等高靈敏度技術相媲美，其實質仍是一種直接吸收光譜技術。該技術的出現最早可追溯到20世紀80年代初，人們為了解決高反射率鏡片(以下簡稱高反鏡)的損耗測定問題而發明的腔衰蕩技術(Cavity?Ring-Down?Technique)。1984年，美國Anderson等人首次利用該技術通過測量光在光學諧振腔腔內的衰減時間來反演出腔的損耗值，由此將高反鏡的損耗測量精度提高到0.0005％。隨后，國際商業市場上便出現了一種光學薄膜損耗測量的標準儀器，即“Lossmeter”——腔損儀。1988年，O’Keefe等人在寬光譜腔損儀的研制過程中意識到腔衰蕩技術除了可用于測定光學鏡片損耗外，還能被用于準確測量光腔內氣態介質的吸收光譜。隨后，他們首次利用該技術對600nm～700nm可見光波段范圍內氧分子禁戒躍遷吸收光譜進行了測量，由此產生出了一種新型的光譜技術-腔衰蕩光譜技術(Cavity?Ring-Down?Spectroscopy，簡稱CRDS)。腔衰蕩光譜技術因其具有結構簡單、測量精度高以及測量結果無需標定等特點，目前已成為光譜學領域的標準測量方法。除了被應用于吸收光譜測量外，CRDS還常被應用于氣體分析和濃度檢測等領域。目前，基于腔衰蕩光譜技術的商業化產品已經出現，如Tiger?Optics、Piccaro公司的氣體分析儀系列產品等。腔衰蕩光譜系統中，核心器件就是低損耗的光學諧振腔，其性能直接關系到光譜系統最終精度。在過去的研究和應用中，絕大多數腔衰蕩光譜系統都不約而同地采用直腔或環形腔結構，而對折疊型結構研究甚少，且除國內國防科技大學課題組所做的前期工作外，有關折疊型腔衰蕩光譜技術研究的絕大部分研究都集中在法國D.Romanini和J.Morville等人的團隊。這種狀況的出現除了與折疊型腔衰蕩光譜系統結構相對復雜、折疊腔加工及調節精度要求高等因素有關外，還與該系統中存在的一種特殊物理現象——紋波效應有關，這種現象的出現使得光譜系統的數據處理變得復雜、系統的測量靈敏度降低[詳細情況請見：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-]。所謂紋波效應是指折疊型腔衰蕩光譜系統測得的折疊腔損耗值隨著激光波長的掃描出現類似正弦的周期性變化現象，有關該紋波效應的報導最早可追溯到1999年，D.Romanini等人在他們建立的光反饋折疊型腔衰蕩光譜系統的實驗研究中首先觀察到此現象，但當時他們僅把這種現象看成一種測量噪聲，并未對其進行探討。2004年起，J.Morville等人在光反饋腔衰蕩光譜系統的研究中再次提及該現象，對它進行了較為詳細的描述，并對該效應的起因進行了簡單的分析，但并未提及消弱該效應的方法。除此以外，尚未見國內外其它單位開展折疊型腔衰蕩光譜及其相關技術的研究。