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Picarro光腔衰蕩光譜(CRDS)

發(fā)表時(shí)間:2023-07-25瀏覽量:251

幾乎每種小的氣相分子(例如,CO2,H2O,H2S,NH3)都具有獨特的近紅外吸收光譜。在低于大氣壓的壓強下,它由一系列狹窄、分辨良好的尖銳波譜曲線(xiàn)組成,每條曲線(xiàn)都具有特征波長(cháng)。因為這些曲線(xiàn)間隔良好并且它們的波長(cháng)是已知的,所以可以通過(guò)測量該波長(cháng)吸收度,即特定吸收峰的高度來(lái)確定任何物質(zhì)的濃度。但是,在傳統的紅外光譜儀中,因痕量氣體產(chǎn)生的吸收量太少而無(wú)法測量,通常靈敏度只能達到 ppm 級別。CRDS - 光腔衰蕩光譜 - 通過(guò)使用長(cháng)達數公里的有效吸收光程來(lái)突破這種靈敏度限制。CRDS 能在幾秒鐘或更短的時(shí)間內對氣體進(jìn)行監測,靈敏度可以達到 ppb 級別,甚至有些氣體可以達到 ppt 級別。

 

CRDS 技術(shù),來(lái)自單頻激光二極管的光束進(jìn)入由兩面或多面高反射率反射鏡構成的衰蕩腔。Picarro 分析儀使用三鏡腔(如下圖所示),以支持連續行波光波。與支持駐波的雙鏡腔相比,這可以帶來(lái)優(yōu)異的信噪比。當激光打開(kāi)時(shí),脈沖激光沿著(zhù)光軸注入到腔內,激光脈沖在腔鏡之間來(lái)回反射而形成振蕩??焖俟怆娞綔y器通過(guò)檢測其中一個(gè)反射鏡逸出的少量光強,產(chǎn)生與腔內光強成正比的信號,記錄腔內激光脈沖的衰減過(guò)程,在腔鏡反射率已知的情況下,可以計算腔內氣體濃度的變化。

 

當光電探測器信號達到閾值電平(幾十微秒)時(shí),連續波(CW)激光被迅速切斷。以探測從腔中逸出光強的指數衰減。在衰減時(shí),腔內已有的光繼續在反射鏡之間來(lái)回反射(約 100,000 次),但由于反射鏡的反射率略低于 100%(99.999%),因此腔內的光強度平穩地逸出并以指數級迅速衰減直至為零。這種衰減或“震蕩”是由光電探測器實(shí)時(shí)測量的,衰減發(fā)生所需的時(shí)間僅由反射鏡的反射率決定(對于空腔)??紤]到對于長(cháng)度僅為 25 厘米的 Picarro 腔,腔內的有效吸收光程可超過(guò) 20 公里。

 

測量過(guò)程中,如果將能夠吸收激光的氣體導入腔室,則會(huì )帶來(lái)腔室內激光損失的另外一個(gè)因素(吸收)。相比沒(méi)有任何額外吸收的空腔,這種損耗的加入必然加快激光的衰蕩時(shí)間。Picarro 分析儀可自動(dòng)連續計算和比較空腔或充滿(mǎn)目標氣體時(shí)的衰蕩時(shí)間,而這個(gè)時(shí)間差便是目標氣體吸收激光而導致的衰蕩時(shí)間差,而衰蕩時(shí)差的長(cháng)短與氣體的濃度成線(xiàn)性相關(guān),這產(chǎn)生了精確的定量測量,也解釋了可能隨時(shí)間變化的任何腔內損失,并且其能夠區分由于腔鏡引起的損耗和吸收引起的損耗。此外,最終濃度數據特別穩定,因為它來(lái)自這些衰蕩時(shí)間之間的差異,因此與激光強度波動(dòng)或絕對激光功率無(wú)關(guān)。

 

這種比較不含吸收激光的氣體的空腔的衰蕩時(shí)間與含目標氣體吸收激光時(shí)的衰蕩時(shí)間的實(shí)驗方案,不是通過(guò)從腔室中去除氣體來(lái)實(shí)現的,而是通過(guò)使用可以調節波長(cháng)的激光來(lái)實(shí)現的。通過(guò)將激光調諧至氣體吸收光的不同波長(cháng),然后調諧至氣體不吸收光的波長(cháng),可以將“僅只有衰蕩腔”產(chǎn)生的衰蕩時(shí)間與目標氣體對光有吸收的衰蕩時(shí)間進(jìn)行比較腔室內衰減。實(shí)際上,激光被調諧至目標氣體的光譜吸收曲線(xiàn)上的幾個(gè)位置(并且在所有這些波長(cháng)處進(jìn)行衰蕩測量),而對吸收曲線(xiàn)模型進(jìn)行的數學(xué)擬合被實(shí)際用于計算氣體濃度的數值。 

請參閱 CRDS 技術(shù)說(shuō)明,了解 Picarro 氣體分析儀將原始信號轉換為濃度數據的計算過(guò)程。

在含和不含共振吸收樣品的 CRDS 系統中,光強是時(shí)間的函數,這說(shuō)明了光學(xué)損失(或氣體的吸收)如何轉換為衰減時(shí)間測量。

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