一種折疊型腔衰蕩光譜系統中紋波效應的減弱方法
【技術領域】
[0001]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宄及應用領域。
【背景技術】
[0002]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宄的兩個核心問題。激光技術出現以前，由于沒有理想的光源，光譜技術研宄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。
[0003]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迀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。在過去的研宄和應用中，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，而對折疊型結構研宄甚少，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宄的絕大部分研宄都集中在法國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一一紋波效應有關，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宄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宄中再次提及該現象，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宄。
[0004]盡管折疊型腔衰蕩光譜因紋波效應的存在而影響其性能，但折疊腔方案也有其優點，如折疊型腔衰蕩光譜可以利用折疊腔的光反饋效應進行激光器的線寬壓榨及頻率鎖定，可有效提高信號的強度和信噪比，有利于提高腔衰蕩光譜系統的測量靈敏度。因此，如何有效減弱紋波效應對于這種類型腔衰蕩光譜系統的研宄和應用意義重大。

【發明內容】

[0005]本發明針對折疊型腔衰蕩光譜系統中出現的紋波效應，基于對該效應的機理分析和研宄，提出一種折疊型腔衰蕩光譜系統中紋波效應的減弱方法，以期改善這類光譜系統的性能。
[0006]本發明為解決其技術問題所采用的技術方案為:一種折疊型腔衰蕩光譜系統中紋波效應的減弱方法，在折疊型腔衰蕩光譜系統設計中，增大折疊型光學諧振腔的折疊角度Θ O
[0007]進一步地，保持折疊型腔衰蕩光譜系統中折疊腔鏡的表面潔凈度，免受顆粒物污染，具體做法如下:在折疊腔鏡前開孔充入純氮氣或者經過濾后的純凈空氣，防止折疊型光學諧振腔內粉塵等產生散射的顆粒物污染。
[0008]進一步地，所述折疊型光學諧振腔為對稱或非對稱結構。
[0009]進一步地，折疊角度越大，紋波效應減弱越明顯，但折疊最大角度的設計還需綜合考慮折萱尚反鏡的損耗等其他因素，以90°為宜。
[0010]本發明的測量原理源于對折疊型連續波腔衰蕩光譜系統應用研宄中紋波效應的產生機理分析與思考，其本質是通過降低正、反兩方向光束在折疊高反鏡處形成的散射場干涉效應，達到消弱紋波效應的目的，從而提升這類折疊型腔衰蕩光譜系統的性能。由于直腔型和環形腔衰蕩光譜系統中沒有發現紋波效應，因此可以確認折疊高反鏡的存在是產生紋波效應的主要原因[詳細分析請見:Zhongqi Tan, Xingwu Long, KaiyongYang, and Suyong.ffu, The spectral ripple effect in continuous-wave fold-typecavity ring down spectroscopy[J], Journal of Optics Society of AmericaB, 2010, 27(12):2727-2730]。同時，大量實驗表明，折疊高反鏡表面潔凈度與紋波效應的振幅密切相關:當折疊高反鏡表面經清洗處于潔凈狀態時，紋波效應非常微弱，甚至低于腔衰蕩光譜系統測量噪聲，以至于無法明顯觀察到紋波效應。當折疊高反鏡暴露在空氣中的時間過長，其表面吸附有空氣中的污染物，尤其是粉塵或其它顆粒物時，實驗發現紋波效應逐漸明顯，折疊高反鏡在空氣中的暴露時間越長，紋波效應越明顯。對于該實驗現象，分析可知:腔衰蕩光譜測量中，折疊高反鏡處存在兩束對稱入射光，當折疊高反鏡表面吸附有粉塵或顆粒物時，兩束對稱入射光各自會在折疊高反鏡表面形成散射場，當兩散射場滿足干涉條件時，就會形成散射干涉場。當系統進行光譜測量時，因折疊高反鏡表面處兩束入射光的相位差會隨著光譜掃描而發生周期性變化，就導致了散射干涉場隨光譜掃描而發生周期性改變。根據上述實驗結果可知:保持折疊型腔衰蕩光譜系統中折疊高反鏡的表面潔凈度，使其免受粉塵等產生散射的顆粒物污染，能有效減弱紋波效應的大小。
[0011]此外