[科普中國]-光腔衰蕩光譜

光腔衰蕩光譜（Cavity ring-down spectroscopy，CRDS）（也稱腔振鈴吸收光譜，共振腔環(huán)路衰減光譜）是一種非常靈敏的光譜學方法。它可用來探測樣品的絕對的光學消光，包括光的散射和吸收。它已經(jīng)被廣泛地應用于探測氣態(tài)樣品在特定波長的吸收，并可以在萬億分率的水平上確定樣品的摩爾分數(shù)。這種方法也被稱作激光光腔衰蕩吸收光譜（Cavity ring-down laser absorption spectroscopy, CRLAS）。

簡介光腔衰蕩光譜（Cavity ring-down spectroscopy，CRDS）（也稱腔振鈴吸收光譜，共振腔環(huán)路衰減光譜）是一種非常靈敏的光譜學方法。它可用來探測樣品的絕對的光學消光，包括光的散射和吸收。它已經(jīng)被廣泛地應用于探測氣態(tài)樣品在特定波長的吸收，并可以在萬億分率的水平上確定樣品的摩爾分數(shù)。這種方法也被稱作激光光腔衰蕩吸收光譜（Cavity ring-down laser absorption spectroscopy, CRLAS）。

一臺典型的光腔衰蕩光譜裝置包含了一個用于照亮高精細度光學諧振腔的激光光源，和構(gòu)成諧振腔的兩面高反射率反射鏡。當激光和諧振腔的模式共振時，腔內(nèi)光強會因相長干涉迅速增強。之后激光被迅速切斷，以探測從腔中逸出光強的指數(shù)衰減。在衰減中，光在反射鏡間被來回反射了成千上萬次，由此帶來了幾到幾十公里的有效吸收光程。

如果吸光物質(zhì)被放置在諧振腔內(nèi)，則腔內(nèi)光子的平均壽命會因被吸收而減少。一套光強衰蕩光譜裝置測量的是，光強衰減為之前強度的 1/e 所需要的時間，這個時間被稱為“衰蕩時間”可以被用來計算腔內(nèi)吸光物質(zhì)的濃度。1

詳細描述光腔腔衰蕩光譜是一種激光吸收光譜。

光腔衰蕩光譜一般分為脈沖光腔衰蕩光譜(Pulsed Cavity Ring-down Spectroscopy) 和連續(xù)波光腔衰蕩光譜(cw- Cavity Ring-down Spectroscopy) 。

以脈沖光腔衰蕩光譜為例，一個激光脈沖被囚禁在一個高反射率(通常R>99.9%)的諧振腔中。被囚禁脈沖每在強中來回反射一次，強度都會由于強中介質(zhì)的吸收與散射以及反射損耗，而降低一個固定的比例。于是腔內(nèi)光脈沖的強度被確定為一個隨時間變化的指數(shù)函數(shù)。

工作原理是基于測量衰減率而不是絕對吸收。這是其擁有超過傳統(tǒng)光譜方法靈敏度的原因，因其免疫了激光脈沖的強度波動。衰減常數(shù)，，是光強從原有強度下降到 1/e 所用的時間，被稱為衰蕩時間，和腔內(nèi)的損耗機制相關(guān)。對于空腔，衰減常數(shù)依賴于鏡子的反射損耗和各種光學現(xiàn)象如散射和折射：

其中n是腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，c是真空中的光速，l是腔長，R是鏡子反射率，并考慮到其他帶來光的損失的雜項X。 這個方程使用近似ln(1+x)≈x，x接近于零時成立，這符合一般光腔衰蕩光譜中的情況。通常，出于簡化考慮，將雜項損失視作一個等效的反射損耗。當一個有吸收的樣品在腔內(nèi)時，根據(jù)比爾-朗伯定律，將增大損耗。假設該樣品充滿整個空腔，其中 α 是該樣品的吸收系數(shù)。1

光腔衰蕩光譜的優(yōu)點光腔衰蕩光譜相較于其他吸收光譜方法有兩個主要的優(yōu)點：

首先，它不會受到激光的強度波動的影響。 在大多數(shù)吸收測量中，光源光強必須假定是穩(wěn)定，不會因有無樣品而改變。任何光源光強的漂移都會在測量中引入誤差。 在光強衰蕩光譜中，衰蕩時間并不取決于激光的強度，則這種激光強度的波動都不再是問題。因其不依賴于激光強度，使得光腔衰蕩光譜不需要用到外部標準進行校準或?qū)φ铡?/p>

第二，由于它非常長的吸收長度，其非常靈敏。在吸收測量中，最小可探測吸收正比于樣品的吸收長度。由于光在反射鏡之間被來回反射了很多次，使得它有非常長的吸收長度。例如，激光脈沖來回通過一個一米的光腔500次，就會帶來1公里的有效吸收長度。

由此包含以下優(yōu)點：

高靈敏度，因其在檢測池中有長吸收長度的特性；

免疫激光光強波動，因其測量的是速率而非強度；

寬的可應用光譜范圍，對給定的鏡片一般可在±5% 中心波長范圍內(nèi)工作；

高速度，一次衰蕩事件可以在毫秒的時間尺度上完成；

不需要熒光，這使得它對一些(例如快速解離)系統(tǒng)相較于激光誘導熒光(Laser-induced fluorescence, LIF)和共振增強多光子離子化(Resonance-enhanced multiphoton ionization, REMPI)更有吸引力。2

光腔衰蕩光譜的缺點因為只能使用單色激光光源，光譜不能很快速地獲得。盡管這樣說，一些研究組正在開始開發(fā)利用寬帶有機發(fā)光二極管或超連續(xù)光譜光源用于光腔衰蕩光譜，其中光可以被光柵色散之后由CCD探測或是由傅里葉變換光譜儀探測。也許更重要的是，積分腔輸出光譜(Integrated Cavity Output Spectroscopy, ICOS)的發(fā)展已經(jīng)有了長足的進步，在具有相等水平的靈敏度情況下，其相較于光腔衰蕩光譜更為適合用于實地測量。

受限于可用的激光光源和高反射率反射鏡的限制，在很多波段的光腔衰蕩光譜是較為難獲得的。

花費：因為光腔衰蕩光譜對光源和高反射率反射鏡的要求，其花費往往相較于其他光譜方法較為昂貴。3

參見吸收光譜

激光吸收光譜

激光誘導熒光

共振增強多光子離子化

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學院工程熱物理研究所