光腔衰荡高反射率测量技术综述

综述了光腔衰荡高反射率测量技术的发展历史和国内外最新研究进展,给出了各种光腔衰荡技术的原理,分析了相应的优缺点以及用于高反射率测量的现状。主要包括脉冲光腔衰荡、相移光腔衰荡、窄谱连续光腔衰荡和自混合光腔衰荡技术。     

基于腔损耗扫描寻优的光腔衰荡高反射率测量

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。     

连续激光光腔衰荡法精确测量高反射率

提出了基于宽谱半导体激光器连续激光光腔衰荡法测量高反射率的方法,给出了方波调制连续激光光腔衰荡法理论。采用锁相技术记录光腔输出信号一次谐波的振幅和相位,由振幅和相位随调制频率的变化曲线分别拟合衰荡时间。给出了不同腔长下两种拟合方式分别得到的衰荡时间,最终确定腔镜反射率为99.70%,误差小于0.01%。由频域拟合方式得到反射率结果,使可靠性得到提高。与脉冲激光光腔衰荡法相比,采用连续半导体激光器作光源,大大降低了成本,且由于光束质量高,更有利于提高测量精度。     

光腔衰荡法的单波长反射率测量实验研究

分析了反射率光腔衰荡法测量原理的近似条件,讨论了共焦腔的失调特性,计算了腔镜反射率对衰荡信号的影响。在此基础上,为减少OPO激光束的衍射损耗引入的测量误差,选择He-Ne激光作导引光,建立以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置。利用直腔和折叠腔对腔镜和插入镜片的反射率进行了实验测量。直腔方式下测量的均方差小于6×10-6。分析表明,光腔衰荡法只适用于高反镜反射率的测量;在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器,可以提高测量精度。     

腔衰荡法四腔镜反射率及腔内吸收测量

利用腔衰荡四腔镜轮换的方法 ,在常态下测得了四腔镜的反射率 ,同时得到了腔内对测量光的吸收损耗     

腔衰荡法四腔镜反射率及腔内吸收测量

由于镜片的反射率在不同的环境中是不同的,我们在这里利用腔衰荡四腔镜轮换的方法,在常态下测得了四腔镜的反射率,同时得到了腔内气体在测量范围的吸收情况。     

基于腔衰荡光谱技术的光纤微腔温度传感器

提出并实现了一种基于腔衰荡光谱(CRDS)技术的光纤微腔温度传感器。利用高频CO2激光脉冲技术在1060 nm单模光纤上直接刻蚀光学微腔,将其作为传感单元接入到光纤环谐振腔中,通过测量脉冲激光衰荡时间实现了温度传感。在24℃~93℃温度范围内,光纤微腔温度传感器灵敏度达到83.36 ns/℃,实验测量结果具有良好的线性度。     

基于折叠腔的光腔衰荡光谱技术研究

为了有效减小光腔衰荡光谱仪中光腔的体积,设计了一种Z型折叠腔结构,其外部尺寸仅为26.4 cm×8.5 cm×4.5 cm,展开的光腔长度为73.8 cm。采用傍轴高斯光束传输方程对实验光路进行仿真,通过调节两个凸透镜的焦距和位置,实现了光腔内激光模式与光腔模式的完美匹配,确保激光在腔内以横基模TEM_(00)模式存在。实验中,采用数字延迟脉冲发生器触发声光调制器,开断激光,并高速采集衰荡信号,验证了所设计的折叠腔在光腔衰荡光谱仪上应用的可行性。对实验数据进行指数拟合,所得最大残差不超过0.004μW,衰荡时间为0.852μs,与理论计算结果相符。所设计的Z型折叠腔结构紧凑,可用于商业化小型光腔衰荡光谱仪。     

基于频率锁定的腔衰荡光谱技术及其在镜面反射率测量中的应用

腔衰荡光谱技术(CRDS)由于其具有高灵敏度、高精度、装置简单等特点,被广泛应用于痕量气体检测、镜面反射率测量等领域。建立了一套基于连续波频率的腔衰荡光谱(CW- CRDS)装置,基于Pound-Drever-Hall(PDH)频率锁定技术将激光器的频率锁定到光学腔的纵模上,从而保证了激光功率到腔模的高效耦合。通过观测不同的声光调制器(AOM)关断频率对应的透射信号,得到光路最佳关断频率为60 kHz。使用该系统测量了光学腔腔镜的反射率,通过与非锁定情况下测量得到的结果进行对比,得出锁定后的结果漂移减小,误差也压缩为非锁定情况下的1/3。     

用光腔衰荡光谱方法精确测量高反镜的反射率

介绍了利用光腔衰荡光谱技术高精度地检测高反镜的反射率的实验方法。利用直型和折叠型衰荡光腔结合,可以高精度地测定高反镜的反射率。实验结果表明这一方法可以精确地测定各种反射角度、镜片基底和尺寸的高反镜的反射率,而且还可以检测实际工作气氛下高反镜的反射率     

宽谱连续波复合衰荡光腔技术测量高反射率

提出了一种连续波复合衰荡光腔(CRD)技术,可同时确定腔镜和待测镜高反射率,无需测量系统响应,提高了测量精度。以方波调制的连续激光耦合进衰荡腔,采用锁相方式探测衰荡信号一次谐波的振幅和相位。在数据处理中消除了系统响应的影响,由对应调制频率时直腔和折叠腔衰荡信号一次谐波的振幅比值和相位差值进行频域拟合,同时得到腔镜和待测平面镜的反射率。理论上推导了频域拟合函数。对100 cm共焦腔和110 cm稳定腔分别进行了直腔和折叠腔实验,最终确定腔镜反射率99.784%,待测平面镜反射率99.668%,测量精度达到10-5量级,与测量并消除系统响应后得到的反射率结果一致。     

用光腔衰荡测定腔镜及镜片的反射率

光腔衰荡是新的光谱技术。本文利用腔衰荡测定了一组腔镜的反射率,测出的误差达到10^-5量级;同时利用这一衰荡腔对全反镜的反射率进行了测定。该方法适用于不同环境下的镜片反射率的精确测定。     

光腔衰荡光谱方法测量分子的高精密谱线参数

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。     

光腔衰荡光谱技术用于OH浓度测量的误差分析

光腔衰荡光谱技术（Cavity Ring Down Spectroscopy,CRDS）是一种高灵敏度的吸收光谱测量技术,在燃烧场激光光谱诊断领域里是一种十分重要的燃烧产物定量测量手段。文中研究了光腔衰荡光谱技术用于燃烧产物定量测量的原理,搭建了脉冲型光腔衰荡光谱技术实验系统,选取OHA2+-X2（0,0）电子跃迁带的P1（2）吸收线谱,在常压条件下对平面火焰的OH浓度进行了定量测量,并对激光器线宽及线型、激光器的频率稳定性、火焰温度、光腔参数等因素对测量误差的影响进行了分析讨论。误差分析给出了光腔衰荡光谱技术的几个关键注意事项,可为光腔衰荡光谱技术的应用提供指南。     

数据拟合点的截取对光腔衰荡法测量反射率的影响

利用光腔衰荡法测量反射率,探测器性能对衰荡信号的测量有很大影响,具有不同时间响应和灵敏度特性的探测器会得到不同的信号衰荡曲线起始点和信号淹没点.对于性能相同的探测器,在测量反射率不同的反射镜时,也会得到不同的信号淹没点.在数据拟合过程中,截取不同的数据起始点和信号淹没点,会得到不同的衰荡时间,从而影响反射率的测量精度.对衰荡信号进行对数变换,首次利用χ2拟合对数据进行处理,通过对有效拟合数据与斜率误差关系的分析,得到了最佳拟合数据点截取的方法.实验证明:此方法可有效处理无效光信号和噪声信号的分界点,给出了衰减时间的数据截取依据,有助于改善时间衰荡法测试的精度和重复性.     

腔长变化对连续波腔衰荡技术测量的影响

为了阐明腔长变化对测量的影响,在考虑入射光源光谱线宽的情况下,采用腔衰荡法和多光束干涉等有关理论,就两种极限情况下腔长变化对连续波腔衰荡法测量的影响进行了分析和数值模拟,并据此讨论了一般情况下腔长变化给测量带来的影响。分析表明,腔长变化主要使衰荡腔谐振频率变得不稳定,从而使得衰荡腔出射光功率及其衰荡特征发生变化,进而给测量带来严重误差,这将为分析该技术测量误差来源以及提高其测量精度提供理论指导。     

基于光腔衰荡光谱技术的激光脉冲能量选择研究

在光腔衰荡光谱技术中衰荡信号虽不受入射光强变化的影响,但入射光强大小并非任意选取。通过理论计算结合实验分析,探讨脉冲光腔衰荡光谱技术中激光单脉冲能量的选取,结果显示激光脉冲能量选取受反射镜的反射率、探测器灵敏度、增益及信噪比等因素限制。当入射光强度选取过低,在探测器本身灵敏度和信噪比的限制下,信号被淹没于噪声中,无法检测信号;入射光强度过高,输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和,探测器的响应呈现非线性,甚至出现漂白现象或损坏探测器。实验中,激光光源单脉冲能量范围在33 nJ到1μJ较为合适。     

基于透射光斑形态监测的光腔衰荡调腔方法

为克服光腔衰荡高反射率测量过程中初始腔和测试腔结构转换导致的腔参数相对失调,提升调腔效率,提出一种基于衰荡腔透射光斑形态监测的调腔方法。以衰荡腔透射光斑外接矩形宽高比及光斑与其外接矩形面积的比率作为调腔依据,抑制腔参数失调导致的高阶横模激发,使初始腔和测试腔透射光斑均保持在基横模状态。实验结果显示:以宽高比和面积比作为调腔依据,不仅能够分辨不同的光斑模式,同时能有效应对模式间的特殊光斑形态(如椭圆光斑、多模跳变等)。当初始腔和测试腔光斑均调节至基横模状态时,测得的样片反射率均值最高且方均根最小。结果表明该方法有助于提高光腔衰荡高反射率测量技术的调腔效率。     

基于光声光谱和腔衰荡光谱的气溶胶光学特性测量研究

气溶胶光学特性是影响大气辐射强迫的重要因素, 对全球气候起着决定性作用。针对当前气溶 胶光学特性测量仪器存在的测量参数单一、测量不确定度高和溯源体系不完善等问题,本文 将光声光谱(PAS)技术和光腔衰荡光谱(CRDS)技术相结合,实现了气溶胶的消光、吸收及散 射系数同时在线测量, 并研制了一套大气气溶胶多光学参数的高精度在线测量装置。本文测量装置经过NO₂气体 标准物质校准 后,用于大气气溶胶光学特性测量,具有测量相对误差小于4%、测量重复性优于0. 2%和测量不确定 度为2.8%(k=2)等优点。与积分浊度计 、黑碳仪现场实验数据比较,本文测量装置的消光系数、吸收 系数和散射系数的E_n值均小于1,显示出良好的测量一致性和 稳定性。实验结果表明,本文测量装置具备 多参数测量能力,且测量结果准确可靠,可用于大气气溶胶光学特性的现场实时测量,也可 用于相 关测量仪器的计量校准,为测量仪器提供量值溯源。