高灵敏高分辨钛宝石激光光声光谱仪——光学长程+声学共振

　　气体分子局域模振动现象的发现[1]引起人们对分子高分辨泛频谱的广泛兴趣。由于分子从基态到高振动激发态的跃迁偶极矩很小,吸收截面在数量级,而且高分辨光谱的测量要在低气压下进行以减少压力增宽,所以气体样品对光的吸收非常少,吸收系数在范围。因此,气体分子高振动泛频谱的记录需用非常灵敏的测量技术。目前有两种方法,一是激光腔内吸收光谱法[2],二是激光腔内光声光谱法[3]。在前一种方法中,气体样品放在激光器的谐振腔内,光在气体中的吸收长度达几十至上百公里,所以探测灵敏度很高。

　　激光器没有选频元件,吸收光谱即激光场的宽带输出,由光栅光谱仪测量。这种方法有以下几个问题:(1)光谱分辨率受到光栅光谱仪的限制;(2)光栅的非线性导致谱线位置的非线性,需用标准谱线对未知谱带进行标定,增大了工作量而且影响谱线位置的精度;(3)谐振腔置于大气中,水线的干扰不可避免。光声技术基于检测样品无辐射跃迁过程中产生的热量,是一种绝对测量方法。弱吸收情况下,信号大小正比于入射光强度。在激光腔内光声技术中,装有气体样品的光声池放在激光腔内,充分利用了腔内激光的高功率,因而具有相当高的探测灵敏度。但也有一些问题。为安装光声池,谐振腔要作改动,影响了激光器的稳定性。谐振腔空间有限,无法优化光声池的设计。腔内光的强聚焦使部分分子离解,增加了光谱的复杂性。

　　针对这些问题,研制了一台腔外激光光声光谱仪。光声池位于激光器之外,所以激光器的工作不受光声池的影响。光声池的形状和大小不受激光器的限制,可以优化设计,使其工作在品质因子最大(即声衰减最小)的声共振模式。将光学长程技术用于光声池内,增大池内的有效光强。用此谱仪记录了CH43ν1+ν3合频带,与高灵敏的激光腔内光声光谱仪所得到的结果一致[3]。并测出AsH3ν= 6的高分辨泛频光谱。用强度已知的水线标定了谱仪的探测灵敏度。

　　1　光声光谱原理和光声池的设计

　　1.1　原理

　　光声效应是指样品吸收强度调制的光而激发起声波的效应[4]。如图1所示,入射光照射装有气体样品的密闭光声池。如果光的波长与气体的吸收线一致,则气体分子吸收光子而处于激发态。分子间的相互碰撞使一部分受激分子通过无辐射跃迁过程而返回基态,激发能弛豫为平动能。宏观上表现为池内气压的增大。若入射光的强度被调制,则池内压力周期性起伏,即产生声波,可由传音器检测。如果入射光的波长与气体分子的吸收线不同,则气体分子不被激发,池内气体不受强度调制的入射光的影响,传音器无信号输出。这样连续改变强度调制的入射光的波长,同时记录传音器信号,便得到反映样品吸收性质的光谱——光声光谱。