60、红外腔衰荡光谱技术：原理、应用与发展

红外腔衰荡光谱技术：原理、应用与发展

1. 引言

腔衰荡激光吸收光谱（CRLAS）是经典吸收光谱的一种全新变体，它基于光脉冲在光学腔中强度衰减所需的时间。该技术的灵敏度源于光脉冲在腔内的大量往返传播。例如，在一个1米长的腔内，反射率为99.99%的镜子使空腔的衰荡时间约为33.4微秒，这相当于在第一个时间常数内光传播了10公里的路径长度。当腔内存在吸光度为1×10⁻⁶的样品时，衰荡时间会有大约1%的可测量变化。与传统的单通吸收光谱相比，CRLAS的潜力显而易见，传统单通吸收光谱通常只能检测到约1×10⁻³的吸光度。

CRLAS的一个主要优点是它允许在吸收光谱中使用脉冲激光广泛的波长操作范围，并且由于它仅依赖于腔的衰减时间，因此不受脉冲激光固有脉冲间功率波动的影响。虽然仍处于发展的早期阶段，但CRLAS已被用于研究从分子束、气室到大气压火焰和等离子体等各种环境中的化学物质。最初主要应用于紫外 - 可见光谱区域，近年来该技术已扩展到红外（IR）波长用于分子振动光谱学。

2. 理论与操作原理

2.1 腔衰荡激光吸收光谱

在其原始形式中，CRLAS是通过将激光脉冲注入并捕获在由两个高反射镜形成的稳定光学腔中来实现的。腔内光的强度随时间呈指数衰减，衰减速率由激光脉冲经历的往返损耗决定。使用放置在第二个镜子后面的快速探测器监测这种强度衰减，衰荡时间通常通过将观察到的波形拟合为单指数函数来确定。

对于最简单的情况，当主要损耗是镜子反射率和腔内样品气体的吸收时，指数衰减的时间常数τ由以下公式给出：
[
\tau = \frac{d}{c[(1 - R) + \alpha l_s]}
]
其