氢气作为潜在的能源载体和工业材料，在众多领域发挥着日益重要的作用。在很多应用中, 对氢气的检测需要有更高的灵敏度、更快的响应和更大的动态测量范围。腔增强拉曼光谱法 (CERS) 通过 Pound-Drever-Hall (PDH) 稳频技术将激光和高精细度的光学谐振腔锁定, 实现了 1900 倍的腔内功率增益, 用于痕量氢气的检测。在 7 mW 的激光输入功率下, 当积分时间为 100 s 时, 自行搭建的腔增强拉曼光谱装置对 H2 的检测限为 2 Pa。实验结果还表明拉曼散射强度与激光功率和气体压力具有良好的线性关系, 示范了 CERS 方法高精度气体定量分析的潜力。

分子吸收光谱数据, 包括谱线的位置、强度、压力位移系数及展宽系数等,是研究温室效应、大气环境监测以及星际气体探测等应用的基本参考。随着激光技术的飞速发展, 光腔衰荡光谱技术以其极高的探测灵敏度和测量精度, 被广泛应用于分子光谱测量。结合各种复杂精密光谱线型, 可以获得大量可靠的高精度光谱数据参数。这些结果被用于更新光谱数据库, 甚至是检验基本物理定律和常数。主要介绍光腔衰荡光谱测量方法, 特别是结合激光锁频技术的精密测量技术, 并以一氧化碳、氢分子泛频振转光谱测量为例, 介绍其在精密分子光谱参数测量中的应用。

基于通讯波段的分布式反馈半导体激光器(DFB),搭建了一套光腔衰荡光谱仪(CRDS).衰荡光腔由一对反射率高于99.997%的高反镜组成,衰荡腔长约为130 cm,空腔衰荡时间约为150 μs.当光谱平均次数达到1 000次时,光谱仪灵敏度(最小可探测吸收系数)达到5×10-12 cm-1.利用热隔绝的方式稳定衰荡腔长,并使用衰荡光腔自身作为光学标准具,来标定光谱的频率:利用反馈式光谱扫描程序步进改变激光器频率,使之与衰荡腔的纵模频率逐一匹配,从而实现所测得光谱的自动标定.通过测量一氧化碳分子在1.565 μm附近的吸收光谱,测定气体中一氧化碳的含量.将光谱测量结果和标准样品中的一氧化碳含量进行对比,对装置的定量精度进行了检验,表明其对一氧化碳的探测极限达4 ppbv.利用该装置对实际大气中一氧化碳的含量进行了实时监测.

基于连续可调谐的钛宝石激光光源, 建立了光腔衰荡光谱(CRDS)装置, 实验表明, 其不但具有10-4cm-1的光谱分辨率, 测量灵敏度也好于10-10·cm-1。 通过对C2H2气体在12 696.4 cm-1附近的吸收光谱测量, 验证了该装置的定量测量能力, 并通过对混有痕量C2H2气体的氮气样品的光谱测量, 表明该装置对C2H2气体的检测限为0.2 ppmv。

用增强型光声池显著降低了光声信号的面损耗,使得AsH3分子的振动平动能量转移成为造成共振峰展宽的主要因素。光声池内充9.06 kPa的AsH3气体,声共振品质因子Q高达374。推导了光声信号振幅与入射光调制频率和样品分子振动－平动弛豫时间的函数关系。理论公式与实验数据的对比表明,对振动热容贡献大的振动能级在气体分子的振动平动能量转移过程中起主要作用;波动过程中AsH3分子通过最低的两个振动能级进行振动平动能量交换。