光谱学与光谱技术
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反射镜透射率 增大因子
吸收功率为
P LP in q LP out
即直接测量时，一次反射的吸收信号，腔内为腔外的q倍。 或者这样理解，激光在离开谐振腔时在样品池内已来回传 播了q次，所以有q倍的机会被样品吸收。
16
样品池也可置于外部谐振腔中
Lens Laser
3、相邻脉冲的时间间隔为， T R 2 L / c ，这样第n个脉冲 测得的时间为， t 2 nL / c ，所以探测到的随时间变化的 功率为
P t P1e
t 1
L/c 1 T A L
20
腔内回旋衰减的基本理论（Cont.）
4、如果没有放样品，则 0 5、所以可以得到，
K. Goda et al., Nature 458, 1145 (2009)
4
9.2 提高光谱探测灵敏的方法
9.2.1 频率调制
9.2.2 腔内吸收
9.2.3 激发光谱
5
概述
常规光谱测量基于吸收定律 在 1
I I 0e x
I I 0 1 x
直流分量
一次谐波
dI a 3 d 3 I a2 d 2I a4 d 4I I a sin t I a 2 4 3 sin t 4 d 64 d d 8 d a2 d 2I a4 d 4I a3 d 3I a5 d 5 I cos 2 t 4 d 2 48 d 4 24 d 3 384 d 5 sin 3t
13
Water overtone absorption line
SNR 2 orders!
14
9.2.2 腔内吸收
将吸收样品置于激光谐振腔内 探测输出激光（2）或荧光强度（1） 激光多次通过样品池以提高探测灵敏度
15
如何理解？
从输出功率和腔内功率来看， 1 Pin Pout qP out T2
二次谐波
三次谐波 9
谐波信号与吸光系数的关系
以一次谐波为例， I a sin t I dI a sin t d d xI a sin t d 整理得到，
I a sin t I d x a sin t I d
Mirror 1
Sample Cell
Mirror 2
Tuning Device
Piezo Voltage
Lens
Detector 17
The limitation of intracavity abosorption
Experimental and fundamental limitation：
2. 如果Δω=a×sin(Ωt)：
dI 1 d 2I 2 2 I a sin t I a sin t a sin t 2 d 2! d
8
调制后激光强度（Cont.）
3. 利用三角函数Fra Baidu bibliotek系：
1 1 cos2 x 2 2 3 4 1 sin 4 x cos2 x cos4 x 8 8 8 sin 2 x 3 1 sin 3 x sin x sin 3x 4 4 10 5 1 sin 5 x sin x sin 3x sin 5 x 16 16 16
a）the increasing instability of the laser output b）just above threshold, the spontaneous radiation cannot be neglected
18
腔内回旋衰减
脉冲激光 R 计算机 谐振腔 R 示波器 光电倍增管
信号强度
无样品
1
2
有样品 时间
由衰减曲线的时间常数计 算该波长下的吸光系数， 对波长扫描即得到光谱 19
腔内回旋衰减的基本理论
1、经过1次样品的输出功率为， P1 T 2 e L P0 2、n次往返后的输出功率为，
Pn Re
L 2 n
P1 P1e 2 n L ln R P1 e 2 n T A L
第9章 激光光谱技术
9.1 基本原理 9.2 提高光谱探测灵敏度的方法 9.3 高分辨亚多普勒光谱技术 9.4 时间分辨光谱技术
1
常规光谱技术中提高灵敏度的方法
液氮制冷 开放电极 CCD
$15,686
$27,450 EMCCD > $ 30,000
2
光谱学领域发展的真正推动力来自于激光器
3
光谱学领域发展的真正推动力来自于激光器
L/c 2 TA
2 1 L 1 R 1
腔内回旋衰减测量的是衰减率而不是衰 减量，避免了脉冲激光强度波动对测量 结果的影响，具有更高的信噪比！
21
9.2.3 激发光谱
即探测到的光强信号与吸收光谱的 一阶导数相对应！
10
11
LD光谱检测中的频率调制
LD
相加波形
样品池 探测器
低频三角波 谐波
高频正弦波
锁相 放大器
检测信号 12
Lorentzian line profile
First derivatives
Second derivatives
Third derivatives
I0 I 1 I0 x
相当于测量两个大数之间的小差异！
6
9.2.1 频率调制
I. 用频率Ω调制单色激光，使激光波长或频率在一个小范 围内周期变化 利用锁相放大器对其谐波信号进行探测
II.
7
调制后激光强度
1. 频率变化范围为ω ~ Δω，泰勒展开：
dI 1 d 2I 2 I I 2 d 2! d
吸收功率为
P LP in q LP out
即直接测量时，一次反射的吸收信号，腔内为腔外的q倍。 或者这样理解，激光在离开谐振腔时在样品池内已来回传 播了q次，所以有q倍的机会被样品吸收。
16
样品池也可置于外部谐振腔中
Lens Laser
3、相邻脉冲的时间间隔为， T R 2 L / c ，这样第n个脉冲 测得的时间为， t 2 nL / c ，所以探测到的随时间变化的 功率为
P t P1e
t 1
L/c 1 T A L
20
腔内回旋衰减的基本理论（Cont.）
4、如果没有放样品，则 0 5、所以可以得到，
K. Goda et al., Nature 458, 1145 (2009)
4
9.2 提高光谱探测灵敏的方法
9.2.1 频率调制
9.2.2 腔内吸收
9.2.3 激发光谱
5
概述
常规光谱测量基于吸收定律 在 1
I I 0e x
I I 0 1 x
直流分量
一次谐波
dI a 3 d 3 I a2 d 2I a4 d 4I I a sin t I a 2 4 3 sin t 4 d 64 d d 8 d a2 d 2I a4 d 4I a3 d 3I a5 d 5 I cos 2 t 4 d 2 48 d 4 24 d 3 384 d 5 sin 3t
13
Water overtone absorption line
SNR 2 orders!
14
9.2.2 腔内吸收
将吸收样品置于激光谐振腔内 探测输出激光（2）或荧光强度（1） 激光多次通过样品池以提高探测灵敏度
15
如何理解？
从输出功率和腔内功率来看， 1 Pin Pout qP out T2
二次谐波
三次谐波 9
谐波信号与吸光系数的关系
以一次谐波为例， I a sin t I dI a sin t d d xI a sin t d 整理得到，
I a sin t I d x a sin t I d
Mirror 1
Sample Cell
Mirror 2
Tuning Device
Piezo Voltage
Lens
Detector 17
The limitation of intracavity abosorption
Experimental and fundamental limitation：
2. 如果Δω=a×sin(Ωt)：
dI 1 d 2I 2 2 I a sin t I a sin t a sin t 2 d 2! d
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调制后激光强度（Cont.）
3. 利用三角函数Fra Baidu bibliotek系：
1 1 cos2 x 2 2 3 4 1 sin 4 x cos2 x cos4 x 8 8 8 sin 2 x 3 1 sin 3 x sin x sin 3x 4 4 10 5 1 sin 5 x sin x sin 3x sin 5 x 16 16 16
a）the increasing instability of the laser output b）just above threshold, the spontaneous radiation cannot be neglected
18
腔内回旋衰减
脉冲激光 R 计算机 谐振腔 R 示波器 光电倍增管
信号强度
无样品
1
2
有样品 时间
由衰减曲线的时间常数计 算该波长下的吸光系数， 对波长扫描即得到光谱 19
腔内回旋衰减的基本理论
1、经过1次样品的输出功率为， P1 T 2 e L P0 2、n次往返后的输出功率为，
Pn Re
L 2 n
P1 P1e 2 n L ln R P1 e 2 n T A L
第9章 激光光谱技术
9.1 基本原理 9.2 提高光谱探测灵敏度的方法 9.3 高分辨亚多普勒光谱技术 9.4 时间分辨光谱技术
1
常规光谱技术中提高灵敏度的方法
液氮制冷 开放电极 CCD
$15,686
$27,450 EMCCD > $ 30,000
2
光谱学领域发展的真正推动力来自于激光器
3
光谱学领域发展的真正推动力来自于激光器
L/c 2 TA
2 1 L 1 R 1
腔内回旋衰减测量的是衰减率而不是衰 减量，避免了脉冲激光强度波动对测量 结果的影响，具有更高的信噪比！
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9.2.3 激发光谱
即探测到的光强信号与吸收光谱的 一阶导数相对应！
10
11
LD光谱检测中的频率调制
LD
相加波形
样品池 探测器
低频三角波 谐波
高频正弦波
锁相 放大器
检测信号 12
Lorentzian line profile
First derivatives
Second derivatives
Third derivatives
I0 I 1 I0 x
相当于测量两个大数之间的小差异！
6
9.2.1 频率调制
I. 用频率Ω调制单色激光，使激光波长或频率在一个小范 围内周期变化 利用锁相放大器对其谐波信号进行探测
II.
7
调制后激光强度
1. 频率变化范围为ω ~ Δω，泰勒展开：
dI 1 d 2I 2 I I 2 d 2! d