强激光与粒子束
2024, 36(1): 011002
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川 绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
2 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 四川 绵阳 621000中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
3 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
在预混甲烷/空气燃烧的平面火焰炉上, 采用脉冲式光腔衰荡光谱技术（cavity ring-down spectroscopy, CRDS）实现了对OH分子浓度的定量测量。 根据光腔衰荡吸收光谱理论, 选取OH的A2Σ+-X2Π(0,0)电子跃迁带中的P1(2)吸收谱线构搭建了一套激光波长在308.6 nm的脉冲CRDS实验装置。 脉冲CRDS装置中的衰荡光腔是由一对反射率为99.7%的高反射镜组成且其衰荡腔的腔长为270 cm, 并测量空腔（光腔中无火焰）的衰荡时间为2.33 μs。 通过理论分析影响浓度精确测量的实验参数, 分别采用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)、 相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)和脉冲CRDS三种技术精确测量OH的有效吸收长度、 高温火焰的温度和有效的光腔衰荡时间。 当在平面火焰炉上燃烧预混的甲烷(1.1 L·min-1)和空气(15 L·min-1)且在距离炉面高度为6 mm时, 采用PLIF技术测量的有效吸收长度比直接选用燃烧器炉面直径作为吸收长度的精度提高7.1%, 室温下利用CARS技术测量的温度要比热电偶测量的温度精度提高45%, 衰荡光腔内有火焰且选用非OH吸收波长时测得的光腔衰荡时间要比采用空腔时测得的光腔衰荡时间精度提高21.6%。 因此, 通过以上多种测量技术相结合的方式精准测量各实验参量, 最后得到OH分子数密度在距离炉面高度为6 mm时达到最大值（3.59×1013 molecules·cm-3）且OH浓度精度要比于未修正的OH浓度提高了35.6%。 另外, 在不同当量比下（Φ=0.7～1.1）, OH粒子数密度都会随着距离炉面高度的增加而减少, 通过曲线拟合发现OH浓度随着距离炉面高度的增加呈e指数衰减。 在同一燃烧高度的富氧燃烧状态下, OH浓度随着当量比的增加而增加; 当甲烷流量保持恒定时, 富氧燃烧状态下的OH浓度要高于低氧燃烧状态下的OH浓度。 在燃烧场中, 采用这种多光谱技术相结合（CRDS-CARS- PLIF）的精准测量方式不仅能够实现对OH浓度精准的定量测量提高了测量精度, 还可为定量测量其他燃烧产物分子的浓度提供技术支撑, 对研究燃烧化学反应起着至关重要的作用。
光腔衰荡光谱 有效吸收长度 高温测量 衰荡时间 OH浓度 CRDS (cavity ring-down spectroscopy) Effective absorption length High-temperature testing Ring-down time OH concentration 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3955
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 香港中文大学 机械和自动化工程系，香港999077
二氧化碳（Carbon dioxide， CO2）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO2气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm-1的CO2吸收线、设计了超高精细度（>300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10-12 cm-1的检测限，对应的CO2最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO2浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO2浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。
CO2探测 光学传感 光腔衰荡光谱 极高灵敏度 CO2 detection optical sensing cavity ring-down spectroscopy ultra-high sensitivity 光学 精密工程
2023, 31(20): 2921
田中州 1,2,3何星 1,2,3,*王帅 1,2,3杨平 1,2,3许冰 1,2,3,**
1 中国科学院光电技术研究所自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
针对目前腔失调参数与腔损耗之间的映射关系并不明确，调腔过程中腔相对失调量亦不明晰等问题，提出一种基于腔失调参数扫描的腔损耗寻优调腔方法。该方法通过腔镜倾斜调节量的扫描寻优，以光腔衰荡时间为判据寻找初始腔和测试腔相对失调优化的腔状态。实验结果表明：通过该方法，对同一高反射率待测样片6次实验测量结果的测量重复性精度相比传统方法由1.26×10-4提高到约9.83×10-6，测量重复性峰谷值由3.25×10-4提高到2.7×10-5，测量结果更稳定，表明该方法能获得腔参数相对失调更小的调腔状态，为在初始腔反射率较低的光腔衰荡测量系统中抑制衰荡腔相对失调提供了一种解决方案。
测量 光腔衰荡 高反射率测量 腔损耗寻优 基横模 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0712002
中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
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。
光谱学 光腔衰荡光谱 呼气异戊二烯 痕量分析 Spectroscopy Cavity ringdown spectroscopy Breath isoprene Trace analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2415
1 电子科技大学 光电科学与工程学院, 成都 610054
2 中国科学院 光电技术研究所, 成都 610209
为了研究真空环境对光学薄膜的影响, 将离子辅助沉积制备的1064nm强光反射膜样品放置于真空度优于1×10-5Pa的不锈钢真空室, 实验观测其反射率和吸收损耗随放置时间的变化。结果表明, 样品在真空环境放置335h后, 其反射率从99.9823%下降到了99.9543%, 吸收损耗从6.8×10-6上升到了59.5×10-6,用酒精乙醚混和液擦拭后其光学性能完全恢复,样品表面的污染层厚度随时间增加;操作过程中的人为因素是导致强光反射膜元件光学性能持续下降的主要原因。这一结果对高能/高功率激光光学元件在真空应用环境中稳定性的提高是有帮助的。
薄膜, 污染, 激光量热法, 光腔衰荡, 吸收损耗, 反射率 thin films contamination laser calorimetry cavity ring-down absorptance reflectance vacuum environment
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
为提升光腔衰荡高反射率测量技术的精度,提出了一种基于耦合光腔衰荡技术的高反射率测量方法。该方法在耦合光腔衰荡系统中引入衰荡腔腔内模式监测模块,以腔内运行模式为判据寻找初始腔和测试腔耦合效率一致的状态,从而实现更高的测量精度。实验结果表明:在确保腔内模式处于基横模状态时,初始腔和测试腔腔内的等效损耗降低值几乎一致;对于同一高反射率待测样片,该技术对比传统方法可实现10.0%~27.1%测量精度的提升。
测量 光腔衰荡技术 高反射率测量 耦合光腔衰荡技术 基横模
