第35卷，第4期 2015年4月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
光腔衰荡光谱方法探测痕量一氧化碳气体
陈兵，周泽义，康鹏，刘安雯1，胡水明1 1.中国科学技术大学，合肥微尺度国家实验室，安徽合肥230026 2.申国计量研筑院，北京100013
Vol. 35,No.4 -pp971-974
April;2015
摘要基于通讯波段的分布式反馈半导体激光器（DFB），搭建了一套光腔衰荡光谱仪（CRDS）。衰荡光腔由一对反射率高于99.997%的高反镜组成，衰荡腔长约为130cm，空腔衰荡时间约为150u5。当光谱平均次数达到1000次时，光谱仪灵敏度（最小可探测吸收系数)达到5×10-12cm-1。利用热隔绝的方式稳定衰荡腔长，并使用衰荡光腔自身作为光学标准具，来标定光谱的频率：利用反馈式光谱扫描程序步进改变激光器频率，使之与衰荡腔的纵模频率逐一匹配，从而实现所测得光谱的自动标定。通过测量一氧化碳分子在 1.565um附近的吸收光谱，测定气体中一氧化碳的含量。将光谱测量结果和标准样品中的一氧化碳含量进行对比，对装置的定量精度进行了检验，表明其对一氧化碳的探测极限达4Ppbv。利用该装置对实际大气中一氧化碳的含量进行了实时监测。
关键词光腔衰荡光谱；DFB半导体激光器；一氧化碳；大气监测
中图分类号：0641
文献标识码：A
引言
DOI ; 10. 3964/j. issn. 1000-0593 (2015 )04-0971-04
的CRDS技术可以补偿在近红外波段谱线较弱的劣势，从而得到了更多的关注“。
介绍了利用通讯波段DFB激光器搭建的探测痕量CO
一氧化碳CO在大气中含量约0.1ppmv，深度参与对流层中的OH循环D]，间接影响空气中CH，O：的含量，因此在大气化学过程中有着重要的作用。同时，CO是含碳燃料不完全燃烧的产物之一，在空气中寿命长达数月，是良好的示踪分子。可以通过测量空气中的CO含量来监视某一区域的空气污染物的排放。监视不同区域的CO含量，可以了解CO的运动，判断下风口的空气质量。
探测空气中C0的实验方法，主要有真空紫外其共振、气相色谱、吸收光谱等。其中吸收光谱方法具有低成本、高灵致度、快速测量、高可靠性等优势，在痕量气体探测方面得到越来越多的应用4。测量空气中CO的光谱方法，主要有可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS)、非色散红外(NDIR)6)、光腔衰荡光谱(CRDS)7等。通讯波段(1.3～1.6 um)的DFB分布式反馈半导体激光器，由于技术成熟、价格低廉、操作简单，得到了产泛使用。但在该波段，分子吸收为较弱的泛频吸收，普通直接吸收方法的灵敏度难以满足要求。而CRDS方法利用高品质光腔，有效吸收长度可长达数百千米，从而具有很高探测灵敏度。因此，基于DFB激光器
收稿日期：2014-03-03，修订日期：2014-06-14
基金项目：国家科技支撑项目（NBRPC2013BAK12BD2)资助作者简介：陈兵，1987年生，中国科学技术大学博士研究生
*通讯联系人e-mail：smhu@ustc.edu.en
气体的CRDS装置。同时，衰荡光腔被作为标准具，用来实现微光频率标定。利用该装置对标准CO样晶进行广定量测定，测量结果与样品中CO含量一致，并得到该装置对CO 的测量极限为4Ppbv。作为示范，使用该装置对室内外空气
中的CO含量进行了长时间监视。 1实验部分
CRDS方法的测量原理是将气体样品置于由一对高反射
镜组成的光学共振腔（以下称之为衰荡腔)中。一束连续微光经过一个光开关后进人衰荡腔，当其满足共振条件时，会有一部分光穿过衰荡腔并射出；光探测器测得射出光后，触发光开关关闭，此后透射光会随时间以指数形式衰减，这被称为一个衰荡事件；拟合衰荡事件，会得到特征衰荡时间，它与样品吸收率α有关
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(1)
其中L为衰荡腔长度，c为光速，为不存在吸收（如空腔 e-mail : bingchen@ mail .uste .edu .cr