光在吸收介质中的传播速度对光腔衰荡测量精度的影响VIP免费

第21卷第12期2009年12月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVo1．21，No．12Dec．，2009文章编号：1001—4322(2009)12—1791—04光在吸收介质中的传播速度对光腔衰荡测量精度的影响赵伟力，李君，金玉奇。，桑凤亭。(1．海军大连舰艇学院，辽宁大连116018；2．中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连116023)摘要：利用光腔衰荡法测量吸收系数时，光在吸收介质中的传播速度和空腔是不同的，这种区别导致测量精度在一定程度上受到影响。为了考察吸收系数的测量精度受光速变化的影响程度，进行了相关的分析和推导，并根据实验及部分文献提供的数据进行了数值计算，得到了忽略光速变化将导致测量结果偏小的结论，偏差值与腔镜反射率有关。当腔镜反射率达到99．99时，就有必要考虑该因素的影响，除非实际测量中存在其它因素使测量精度远不能达到最高值。关键词：精度；光腔衰荡；折射率；光速中图分类号：0484．5文献标志码：A光腔衰荡光谱(CRDS)技术是20世纪8O年代兴起的一种高精度的吸收光谱技术_1]，它不在于吸收光程的长短，而是对指数型的衰荡信号进行检测，是通过测量时间而不是强度的变化来确定光学吸收，因此在很大程度上弥补了以往吸收光谱的缺陷，该技术一问世就得到了极其广泛的应用[2]。光腔衰荡光谱方法最大的优点就是不受光源强度稳定性的影响，吸收光程长，尤其适合物质的微弱吸收，测量灵敏度高，在应用该技术测量高反射镜的反射率时，精度已达1o量级[6]。对腔内介质的吸收系数进行测量时，可以实现1O～10cm范围的吸收系数测量[8]。很多文献分析了影响光腔衰荡光谱技术测量精度的因素，譬如腔长失调、腔镜倾斜以及探测器孔径口等，其中绝大部分文献都忽略了光的相速度变化的影响，而是直接将有吸收介质存在的衰荡腔中光速设为与真空相同。实际上，由于要分别测量有无吸收介质存在时的衰荡时间，这两种情况下腔内折射率的变化导致光在腔内传播速度发生相应的改变。在进行高反射率测量研究时，由于要利用腔长值来计算反射率，而一般情况下腔长的相对测量误差为0．5左右，远大于不考虑介质折射率而引起的误差，同时复合衰荡光腔[1和四腔镜反射率_】等测量技术的出现，使得衰荡时间的变化几乎完全是由待测镜片引起的，因此在反射率的测量中可以不考虑光速的变化问题。但是对于腔内介质的吸收系数测量，与腔长测量值无关，其测量精度主要由衰荡时间的精度来决定，在目前镜片反射率已经可以达到99．999以上的情况下，能否忽略这种因素对测量结果的影响则应作进一步的分析和研究。清华大学董国轩等人口已经考虑了介质折射率的影响，但只是直接给出了吸收系数的表达式。针对衰荡腔内有吸收介质时光的传播速度与空腔相比将会发生变化的情况，本文进行了相关的分析和讨论，并根据实验及文献中的部分测量数据进行了数值计算，分析了这部分因素与吸收系数计算精度问的关系。1测量原理直接将有吸收介质存在的衰荡腔中光速设为与真空相同，不考虑光的相速度变化，这样给出的吸收系数表达式为l】111a一(一)(1)Cr根据光腔衰荡光谱的原理，一束ns级激光脉冲沿着反射率分别为R和R的腔镜M和M构成的光学谐振腔的一端注入后，单色脉冲光在两个腔镜之间来回反射振荡，每经过一次反射都会因腔镜的透射和腔内介质的损耗而衰减。因为腔内衍射和散射等损耗非常小，所以可以忽略不计，只需要考虑腔镜的透射以及腔内介质的吸收。于是通过在Mz后面的光电探测器接收透射的光脉冲信号，考察其衰减规律，从而获得有关腔镜反*收稿日期：2008一l1—06；修订日期：2009—05—11基金项目：中国博士后基金资助课题作者简介：赵伟力(1967一)，女，博士后，从事氧碘化学激光器诊断测试及相关基础研究工作；zhaoweili@yahoo．corn．cn。强激光与粒子束第21卷射率方面的信息。设构成衰荡腔的两个腔镜的反射率分别为R和R，工作环境下腔内充满吸收系数为a的气体介质，根据兰伯一比尔(Lambert-Beer)吸收定律，在腔内循环m次后由谐振腔出射的脉冲光强为1一1(RlR2)exp(一2reaL)(2)式中：L为谐振腔的长度；为第一次从谐振腔出射的脉冲光强。则经过时间t，光束在谐振腔内循环的次数m为===tc／2nL(3)式中：为腔...