腔衰荡光谱技术中衰荡时间的准确快速提取

对NO₃腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)探测系统中衰荡时间的准确提取方法进行了研究。对衰荡时间有效快速的提取可以提高CRDS测量的精度和速度。选取了五种常用的提取衰荡时间的拟合方法,分别为快速傅里叶变换法、离散傅里叶变换法、线性回归总和法、列文伯格-马夸尔特算法和最小二乘法。采用以上五种算法对带有不同大小白噪声的模拟衰荡信号进行拟合,并从受噪声影响情况、拟合准确性和精度、拟合速率,三个方面对五种算法的拟合结果进行对比和分析,结果表明列文伯格-马夸尔特算法和线性回归总和法准确度高、抗噪能力强,但列文伯格-马夸尔特算法拟合速率相对较慢。选取衰荡时间的5～10倍为衰荡信号的最佳拟合波形长度,此时五种算法拟合结果的标准偏差最小。采用外部调制二极管激光器及高反腔搭建CRDS探测系统,针对0.2%噪声的实验条件,选取线性回归总和法和列文伯格-马夸尔特算法对实际测量的实验数据进行处理。实验表明,线性回归总和法拟合准确度和精度与列文伯格-马夸尔特算法相似,但拟合速率比列文伯格-马夸尔特算法快约5倍。实验结果与模拟分析相吻合,表明线性回归总和法为适合我们实验条件的最佳拟合方法。     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景.     

光外差腔衰荡光谱理论研究

提出了简化的光外差腔衰荡光谱技术，避免了通常腔衰荡光谱对衰荡时间的直接测量，同时消除了腔镜损耗的共模直流信号的测量.理论上其测量灵敏度可以达到量子噪声极限，而且技术实现相对简单，更适合于分子振转光谱研究.此外，还在理论上分析了该光谱技术具有的Gauss线型的一次微分光谱线型的特点，并讨论了一些实验参量对谱线强度和线型的影响，进而给出了最佳实验参量. 关键词： 光外差 腔衰荡光谱     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景。     

基于光腔衰荡光谱的便携式呼气异戊二烯分析仪性能评估

呼气异戊二烯是一种内源性代谢产物,其含量与人体血液中的胆固醇水平存在关联。但人体呼气影响因素众多,寻找其与胆固醇水平诊断参数的定量相关性,需要对选取的特定人群进行有效的呼吸气体分析（实时、在线、高灵敏度、高选择性、高精度的大量呼气数据获取）。光腔衰荡光谱（CRDS）是一种具有极高灵敏度、稳定性和选择性的光谱技术。采用目前市场在售的单波长紧凑型半导体紫外激光器,搭建了一套基于CRDS的呼气异戊二烯分析仪,该分析仪主要由激光系统、真空腔体、光电探测模块以及数据采集模块构成。线性拟合的结果显示所获得的衰荡信号接近单指数衰减（R2=0.998 39）,符合朗伯-比尔定律。探究了不同信号平均次数对衰荡信号稳定性的影响,综合考虑衰荡信号的稳定性和分析仪的响应时间,采用128次作为实验过程中的信号平均次数。对呼气异戊二烯分析仪的性能进行了测试,为了表征分析仪的稳定性,持续测量了分析仪16 min的真空衰荡时间。使用氮气、空气和呼吸样本,测量了呼气异戊二烯分析仪的重复性和响应速度。为了测试分析仪的线性度,测量了不同粒子数密度的异戊二烯标准气体（10×10-9,30×10-9,50×10-9,100×10-9,200×10-9）的衰荡时间。最后分析了在224 nm测量异戊二烯存在的光谱干扰问题（NO,N₂O和丙酮）。实验表明：分析仪具有高的灵敏度（检测极限为0.49×10-9）、良好的重复性、稳定性（0.48%）、近实时的响应速度（1秒测量一个数据）和良好的线性度（R2=0.993 13）,将检测极限提高至现有水平的1/1 000。研究证明基于CRDS的便携式呼气异戊二烯分析仪可实现对人体呼气异戊二烯的有效分析。     

相移光腔衰荡高反射率测量中的拟合方法

 分析了相移光腔衰荡技术中由锁相放大器探测光腔输出信号一次谐波的振幅和相位随调制频率的变化曲线。拟合结果发现，联合幅频和相频曲线构造同时含有振幅和相位信息的均方差拟合函数，不同频率拟合范围得到的衰荡时间平均值为0.791 μs，最大误差由分别用幅频或相频曲线拟合得到的衰荡时间误差的8%减小到1.3%，均方差仅为0.5%。通过在拟合函数中加入系统响应时间、系统初始相位等参数，避免了相移光腔衰荡中直腔实验时测量系统频率响应曲线，提高了测量精度。     

衰荡腔测量中的腔参数选择

 基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系,提出了一种衰荡腔,它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0.73得到的稳定腔。根据光束传输规律和失调腔矩阵方法,以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法,建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型。通过数值模拟,研究了这种稳定衰荡腔中,腔微小失调对反射率测量结果的影响,并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析。结果表明,这种稳定腔用作衰荡腔,测量结果受腔镜角度失调影响较大,而受腔长失调影响小;其长度较短,便于工程应用;衍射损耗较小,测量精度高。     

连续波腔衰荡光谱系统的电路设计与应用

 为实现连续波腔衰荡光谱系统的工程化,设计了一套集信号调理、高速采样及数据处理为一体的高集成度数字信号处理(DSP)系统。该系统被用于取代常规连续波腔衰荡光谱系统中由高速数据采集卡及计算机组成的腔衰荡信号测试系统,完成对腔衰荡信号的获取与拟合。该系统最高能实现16 bits/80 MHz的信号采样,并能准确地由腔衰荡信号反演出腔衰荡时间。实验结果表明：结合现有的光反馈式连续波腔衰荡光谱系统,该系统能实现等噪声测量灵敏度为1.0×10^-8 cm^-1的吸收光谱测量,其重复测量精度可达3‰。     

衰荡腔复杂模拍效应的实验研究

利用光参量振荡器产生的脉冲光研究了衰荡腔在不同条件下的衰减信号,实验表明,衰荡腔的输出信号会呈现复杂的调制。这些现象,有些可利用在谐振腔本征模理论基础上导出的公式来解释,另外一些可能是由于像散和畸变引起的腔的横膜分裂,从而导致复杂的模拍效应,对实验结果进行了分析和解释。     

腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响

 只考虑腔长失调因素下建立了反射率模拟测量的理论模型。根据高斯光束传输规律分析了腔长失调对衰荡腔模式耦合的影响，推导了腔长失调与谐振腔输出脉冲信号、衰荡信号与反射率之间的关系，模拟了腔长失调在±10mm范围内的光脉冲衰荡现象。结果表明：对于光敏面直径为0.2mm的高速探测器，为了保证10^-6的测量精度，腔长的失调量应控制在±1mm之间。在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器和动态范围较大的探测器，可以提高测量精度。     

单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。利用DFB激光器波长可调谐特性,通过强弱吸收峰结合,使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高,为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量,在平衡吸收损耗的基础上,选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、二氧化碳的弱吸收峰进行测量。通过光谱叠加反演矩阵,分别得到甲烷、水汽、二氧化碳的浓度。在计算测量灵敏度过程中发现,通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间),会对噪声等效吸收系数产生影响。多数情况下,在测量灵敏度计算方面,列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT);但当衰荡曲线的单指数性下降时,上述结论不一定成立。搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105),低精细度衰荡腔的衰荡速率较快,衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。实验表明,在过滤区间长度较短时,采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。当过滤区间长度增加时,L-M算法得到的结果优于DFT算法。在受过滤区间长度影响方面,DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。根据Allan方差分析,在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算,该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。在25 ℃标准大气压下,对应甲烷、水汽、二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv,3.5 ppmv和4.0 ppmv。基于该CRDS装置,通过单光束多波长测量方法,利用光谱叠加反演矩阵,测得大气中甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.018,3 654和526 ppmv;而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.037,3 898和630 ppmv。通过与温控调节波长,逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比,采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。     

Applications of cavity ring-down spectroscopy to high precision isotope ratio measurement of 13C/12C in carbon dioxide

Recent measurements of carbon isotopes in carbon dioxide using near-infrared, diode-laser-based cavity ring-down spectroscopy (CRDS) are presented. The CRDS system achieved good precision, often better than 0.2 per thousand, for 4% CO2 concentrations, and also achieved 0.15-0.25 per thousand precision in a 78 min measurement time with cryotrap-based pre-concentration of ambient CO2 concentrations (360 ppmv). These results were obtained with a CRDS system possessing a data rate of 40 ring-downs per second and a loss measurement of 4.0 x 10(-11) cm(-1) Hz(-1/2). Subsequently, the measurement time has been reduced to under 10 min. This standard of performance would enable a variety of high concentration (3-10%) isotopic measurements, such as medical human breath analysis or animal breath experiments. The extension of this ring-down to the 2 microm region would enable isotopic analysis at ambient concentrations, which, combined with the small size, robust design, and potential for frequent measurements at a remote site, make CRDS technology attractive for remote atmospheric measurement applications.     

C2H2 Overtones Near 12300 cm-1 Revisited with a Very Sensitive Cavity Ring-down Spectrometer

利用单模连续的钛宝石激光器, 构建了一台光腔衰荡光谱仪, 其可探测的最小吸收可达1.8×10^-10/cm. 该光谱仪被用来记录C₂H₂分子在12240～12350 cm^-1的泛频光谱. 与在同一波段测量的已报到的CRDS和激光腔内吸收光谱仪结果比较,本测量同时具有更好的灵敏度和精度. 由此,获得了乙炔分子在12290.12、12311.82和12350.61 cm^-1附近高泛频谱带更准确的振转参数     

中红外光参变振荡器在高反射率测量中的应用

根据光腔衰荡光谱技术(CRDS)原理,使用中红外光参变振荡器(OPO)为光源建立了直腔与折叠腔相结合的中红外波段3.6 μm 反射率测量实验装置,用于研究中红外波段的高反射膜反射率,测试精度为10-4。使用直型衰荡光腔测试了三对不同薄膜材料设计镀制的高反射腔镜的反射率,并选择了一对腔镜用于实验装置中。采用该装置精确测试了不同薄膜材料镀制的高反射膜的反射率,包括YbF3/ZnS,YbF3 /ZnSe多层膜,以及由银加保护膜镀制的反射镜。研究表明,中红外波段介质膜的反射率可达到R>0.9990,其中由YbF3/ZnSe镀制在硅基底上的多层介质膜3.6 μm反射率可达到99.96％。     

阈值电路特性对腔衰荡光谱测量影响的实验研究

腔衰荡光谱技术(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一种高灵敏的激光吸收光谱技术,被广泛应用于镜片反射率测量、光谱分析以及痕量气体检测等研究领域。首先从理论上描述了CRDS技术的实验原理,然后基于555定时器自行设计了一种可应用于CRDS技术的阈值电路,并通过实验进行了验证。为了优化阈值电路的性能,研究了不同输入阻抗及容抗下阈值电路对衰荡事件测量的影响。通过直接接入不同值的电容与电阻,发现输入电容越大,输入阻抗越小,对衰荡事件的测量影响越大,尤其当阈值电路输入电阻小于50 Ω时,衰荡事件的线型严重扭曲。对不同输入电阻与输入电容时C₂H₂气体在6 531.780 5 cm-1处的吸收信号进行了采集与分析,发现输入电容与输入电阻的改变对测量结果有很大的影响,得到的吸收信号会失真,甚至无法进行拟合。最终给出了阈值电路的最佳设计方案,在阈值电路的设计中选取的输入阻抗越大越好,最小要在100 Ω以上,选取的容抗越小越好,最好低于1 nF,同时要保证阈值电路的时间常数远小于衰荡时间。该研究对于CRDS技术应用过程中阈值电路的设计具有重要的参考价值。     

Cavity ring-down measurements in flames using a single-mode tunable laser system

High-resolution pulsed cavity ring-down spectroscopy (CRDS) of OH in a flame has been demonstrated using a novel single-mode tunable laser (STL). This system operates by pulse amplification of the output of a single-mode diode laser in a modeless dye laser. Ring-down curves obtained using the narrow-bandwidth STL, for both strong and weak transitions, are shown to be well fitted by single exponentials. These results are demonstrated to be in direct contrast with those obtained using a standard dye laser, for which the bandwidth is comparable to the transition linewidths and ring-down curves require multi-exponential fits.Accurate lineshape analysis is thus made possible using the STL, allowing the temperature to be derived from the measured Doppler width. The resulting measurement is in good agreement with the value derived from a Boltzmann plot of data obtained using a conventional laser in a similar flame. The advantages of using the STL system for quantitative CRDS measurements are discussed, together with a suggestion for quantitative measurements of the ASE content of narrowband lasers using CRDS. PACS 82.33.Vx; 42.60.-v; 42.62.Fi     

强流离子源光腔衰荡光谱应用研究

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件,为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求,负离子源成为中性束注入系统的首选。光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。在强流负离子源中,利用氢负离子的光致剥离过程,CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比,CRDS具有不受电磁干扰、不依赖等离子体参数、测量精度高等优点。强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、光学谐振腔、光电探测器和数据采集系统四部分组成。本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理,详细推导了氢负离子密度的计算方法,给出了氢负离子密度测算表达式;然后,结合强流离子源实验室应用的具体情况,分析了各部分装置的选择原则与注意事项;最后,介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、日本国立聚变科学研究所、意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。实验结果表明,源腔气压、源功率等源参数会影响氢负离子密度;铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级;同时,日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。