光谱分析论文

光谱分析课程
论文作业
学院：物理与电子工程学院
班级：11级物理二班
学号：**********
姓名：***
腔内吸收光谱技术
【摘要】
激光具有谱线宽度极窄、相干性优良、光谱功率密度高和波长可调谐，并且可对频率与幅度进行调制等特性。

激光的这些特性导致了光谱技术的一系列革命性变革。

【关键词】
激光；激光吸收光谱；腔内吸收光谱；灵敏度
【引言】
传统吸收光谱光源为宽带光源，在吸收后再分光，受光栅单色仪影响——分辨率差。

激光吸收光谱利用激光本身所具有的特性改良了传统吸收光谱的局限，激光吸收光谱在吸收时分光，受限于分子原子的吸收线宽。

腔内吸收光谱利用谐振腔的谐振特性与激光的增益特性探测衰减速率，成为一种高灵敏度的检测技术。

腔内吸收光谱技术(ICLAS)被发现以来，已经被广泛应用于探测气体、液体、火焰以及等离子体中原子和分子的极弱吸收。

其中其中的一个主要应用是研究分子高振动态的高分辨光谱，主要特征是灵敏度极高，可检测出少量分子微弱的光谱吸收，同时又可以对样品的吸收系数进行直接测量。

【正文】
一、腔内吸收光谱技术的介绍
ICLAS的工作原理是把吸收样品放入一个连续多模的宽带激光腔内时，由于与频率有关的样品的吸收，使得一些模式的损耗增大，模式的强度降低，从而得到了以宽带激光的发射光谱为基线的吸收线P通过解关于光子数和增益介质上态能级布局数的速率方程组，可以得到在激光开始起振后tg时刻的多次平均的光强表达式。

腔内吸收光谱技术将样品池放入激光谐振腔的一种光谱技术。

也就是说，在激光谐振腔内除激光介质以外，还有被测样品物质。

这时，腔内的光束既是激光器的振荡谱线，又是样品分子的激发光束。

此方法与传统吸收光谱相比可获得检测高得多的灵敏度。

二、腔内吸收光谱技术的基本原理
在设计腔内吸收装置时，需要考虑样品的吸收谱线与激光谱线之间的相对线宽来选取激光器以及检测方法。

如样品的吸收带相对较宽，就要选用可调谐激光器，使激光波长在吸收带的范围内扫描。

安装在反射镜M2上的压电陶瓷与腔内标准具一起组成激光波长的调谐机构，通过控制电路来改变标准具的倾角，以实现波长扫描。

实验时，通过调谐机构，使激光谱线扫过样品的吸收光谱区。

样品分子未吸收时的激光输出光强I0为探测器D输出的基线。

当激光波长扫描到样品分子的某个吸收峰上时，激光的输出光强将急剧下降，这种强度变化构成了样品的吸收谱线，变化的幅度就是吸收谱线的强度。

三、腔内吸收光谱技术的灵敏度分析
(1) 多次通过效应
设想有一个均匀展宽双模激光器，激光介质对两个模的增益相同，设腔内样品对其中一个模是无损耗的，该模的传输系数为1.0，另一个模的单称损耗为0.001，其腔传输系数是0.998。

(2) 阈值效应
激光器是一个阈值器件，增益必须达到阈值才能振荡。

腔内样品吸收引起的损耗影响到激光的输出功率，根据输出功率与反射镜的透射率关系，阈值效应引起的灵敏度为
M为增强因子
G和α分别是增益和谐振腔的损耗
当增益很高，G- α ≈G，
当增益接近阈值，G ≈ α
(3) 模式竞争效应
根据激光原理，当腔内未放样品时，光通过增益介质后的光强I可以写为
设反射镜M1和M2的反射率分别为R1和R2，则当光在腔内往返一次后光强的变化为
当腔内放置样品后，设光通过样品的透射率为T，则光在腔内往返一次后光强的变化为
其中为反射镜和样品吸收引起的腔损耗。

若光在腔内往返n次，则激光输出光强为
未放样品是T=1，腔损耗
腔内放置样品与未放置样品时激光输出光强之比为
设A a为腔内放置样品后的表观吸收，A a=log(I n/I),A1为光通过样品一次的吸收
则有
n 由腔的光子寿命τ决定。

对于脉冲激光器，τ为一个脉冲的持续时间
四、腔内吸收光谱技术的实验应用
I2蒸汽腔内吸收装置
反射镜M1与M2构成了激光谐振腔，腔内有一I2蒸汽
吸收池，蒸汽池内I2的浓度由温度来控制。

当腔内没有吸收时，入射的激光束产生强度相等的I2荧光谱线，此时由于激光谱线中在这一频率上的吸收，则外吸收池的这一频率上的荧光将出现下降，甚至被熄灭，而荧光池的荧光强度并不改变。

与单程测量相比较，这种检测方法的灵敏度提高了约100000倍。

腔内吸收光谱技术利用了谐振腔的谐振特性与激光的增益特性探测衰减速率，成为一种高灵敏度的检测技术。

【结论】
通关本文的介绍，我们不难得出，腔内吸收光谱技术是一种高灵敏度高分辨的激光光谱技术，与传统方法相比，具有更高的灵敏度。

更为重要的是该技术的局限性较小。

上述文字腔内吸收光谱技术的原理、方法，以及相关的简单应用。

通过腔内吸收光谱技术的相关应用，加深了对该技术的了解与认识。

腔内吸收光谱技术在近些年内发展非常迅速，已经成为研究光谱的有力工具。

相信随着科学技术手段的提升，随着对该技术系统的深入研究，腔内吸收光谱技术还会有更新的发展，更广的应用。

【参考书目】
1. 教材《激光光谱技术原理及应用》，中国科学技术大学出版社，第二版，陆同兴，2009
2.《光谱与光谱分析》，中国科学技术大学出版社，黄光明，石丽华
3.《激光光谱分析法》，杨景，2009
4.《激光光谱学》，朱贵云，2008
5.《原子光谱学与激光光谱学》，科尼A，2005。