什么是波长扫描光腔衰荡光谱技术(WS-CRDS)?

波长扫描光腔衰荡光谱技术(WS-CRDS)实际上是波长扫描技术(WS)和光腔衰荡光谱技术(CRDS)的合称。

几乎所有小的气相分子(如CO2, H2O, H2S, NH3)均具有特有的近红外吸收光谱,在负压条件下,每种微小的气相分子都能在其特征吸收波长处形成窄的锐谱线(尖峰),也就是一对一的特征光谱线。因为这些线是很好的分离开的,而且其波长也是事先知道的,因而通过测定某种波长的吸收强度,也就是某种波长的特定吸收峰值就可以确定是哪种气体并计算出其浓度。但是对于传统的红外光谱仪来说,由于痕量气体吸收而形成的峰值太低而不能检测到,追其原因就是其最好的灵敏度限制在ppm级。而波长扫描光腔衰荡光谱(WS-CRDS)通过长达20千米的有效路径科学地解决了这个限制,这样可以在极短的时间内监测到ppb水平甚至ppt水平的气体。
波长扫描光腔衰荡光谱(WS-CRDS)技术中,激光二极管发射出的单频光束进入含有两个或更多个高反射率镜子的腔室进行连续反射。Picarro分析仪利用三面镜子进行光波的反射传递,与两面镜子的腔室相比,这可提供更高的信噪比。当激光被打开后,腔室内迅速充满循环的激光,一个快速的光电感应器感应某一镜面泄露出的少量激光并录制其信号,而这些信号与腔室内的光强度成比例输出。
当光电感应器的信号达到某一阈值(十万分之几秒),连续的激光被突然关掉,而腔内存留的激光将继续在三面镜子之间连续反射(约100,000次),但是,由于镜子的反射率是99.999%,腔室内部的光平稳泄露,光强度以指数级迅速衰减直至为零,这种衰减被光电感应器实时记录,并且影响总衰荡时间的仅由镜面反射率(空腔)决定。虽然Picarro腔室的物理长度是25cm,但经过连续反射后,其有效路径超过20千米。
如果将吸收激光的气体导入腔室,第二种损耗机理将被引入,相比没有任何其它吸收激光的空腔,损耗的加入必然加快激光的衰荡时间。Picarro分析仪可自动连续计算和比较空腔或充满目标气体的衰荡时间,而这个时间差便是目标气体吸收激光而导致的衰荡时间差。此外,决定最终的目标气体浓度的是空腔的衰荡时间和充满目标气体的衰荡时间差,而不是激光的密度波动和激光的功率。
通过可调节波长的激光(而不是通过移走光腔内的气体)来计算空腔和非空腔(有目标气体的腔室)的衰荡时间差。首先将激光波长调节到目标气体吸收的波段,然后调节到目标气体不吸收的波段,这样,衰荡时间差就被计算出来。事实上,沿着目标气体光谱的吸收线,调节对应吸收线不同位置的激光波长(光腔衰荡在每个点都进行了测定),并通过精细的匹配吸收峰来计算目标气体的浓度。
波长扫描光腔衰荡光谱(WS-CRDS)中光强度和光作用功能时间一样,不管有没有目标气体,均在光腔内形成共振吸收,这说明光损耗(或者目标气体的吸收)可以编译成时间测量语言。