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{{copyedit|time=2018-01-22T09:28:49+00:00}}
'''光腔衰荡光谱'''（'''Cavity ring-down spectroscopy，CRDS'''）（也称'''腔振铃吸收光谱'''，'''共振腔环路衰减光谱'''）是一种非常灵敏的[[光谱学]]方法。它可用来探测样品的绝对的光学[[消光]]，包括光的[[散射]]和[[吸收]]。它已经被广泛地应用于探测气态样品在特定波长的吸收，并可以在[[万亿分率]]的水平上确定样品的[[摩尔分数]]。这种方法也被称作'''激光光腔衰荡吸收光谱（Cavity ring-down laser absorption spectroscopy, CRLAS）'''。

一台典型的光腔衰荡光谱装置包含了一个用于照亮高[[法布里－珀罗干涉仪|精细度]]光学[[共振腔|谐振腔]]的激光光源，和构成谐振腔的两面高反射率[[反射镜]]。当激光和谐振腔的[[模式]][[共振]]时，腔内光强会因[[相长干涉]]迅速增强。之后激光被迅速切断，以探测从腔中逸出光强的指数衰减。在衰减中，光在反射镜间被来回反射了成千上万次，由此带来了几到几十公里的有效吸收[[光程]]。

如果吸光物质被放置在谐振腔内，则腔内光子的平均寿命会因被吸收而减少。一套光强衰荡光谱装置测量的是，光强衰减为之前强度的 1/e 所需要的时间，这个时间被称为“衰荡时间”可以被用来计算腔内吸光物质的浓度。

== 详细描述 ==
光腔腔衰荡光谱是一种激光吸收光谱。

光腔衰荡光谱一般分为[[脉冲]]光腔衰荡光谱(Pulsed Cavity Ring-down Spectroscopy) 和[[CW|连续波]]光腔衰荡光谱(cw- Cavity Ring-down Spectroscopy) 。

以脉冲光腔衰荡光谱为例，一个激光脉冲被囚禁在一个高反射率(通常R>99.9%)的谐振腔中。被囚禁脉冲每在腔中来回反射一次，强度都会由于腔中介质的吸收与散射以及反射损耗，而降低一个固定的比例。于是腔内光脉冲的强度被确定为一个随时间变化的[[指数函数]]。
: <math>I(t)=I_0 e^{-{t}/{\tau}}</math>
工作原理是基于测量衰减率而不是绝对吸收。这是其拥有超过传统光谱方法灵敏度的原因，因其免疫了激光脉冲的强度波动。衰减常数，<math>\tau</math>，是光强从原有强度下降到 1/e 所用的时间，被称为衰荡时间，和腔内的损耗机制相关。对于空腔，衰减常数依赖于镜子的反射损耗和各种光学现象如散射和折射：
: <math>{\tau_0={\frac{n} {c}}{\cdot}{\frac{l}{1-R+X}}}</math>
其中 ''n ''是腔内介质的折射率，''c''是真空中的[[光速]]，''l'' 是腔长，''R'' 是镜子反射率，并考虑到其他带来光的损失的杂项''X'' 。 这个方程使用近似ln(1+''x'')≈''x，x ''接近于零时成立，这符合一般光腔衰荡光谱中的情况。通常，出于简化考虑，将杂项损失视作一个等效的反射损耗。当一个有吸收的样品在腔内时，根据[[比尔-朗伯定律]]，将增大损耗。假设该样品充满整个空腔，
: <math>{\tau_0={\frac{n} {c}}{\cdot}{\frac{l}{1-R+X+{\alpha}l}}}</math>
其中 α 是该样品的吸收系数。
: <math />

== 光腔衰荡光谱的优点 ==
光腔衰荡光谱相较于其他吸收光谱方法有两个主要的优点：

首先，它不会受到激光的强度波动的影响。 在大多数吸收测量中，光源光强必须假定是稳定，不会因有无样品而改变。任何光源光强的漂移都会在测量中引入误差。 在光强衰荡光谱中，衰荡时间并不取决于激光的强度，则这种激光强度的波动都不再是问题。因其不依赖于激光强度，使得光腔衰荡光谱不需要用到外部标准进行校准或对照。<ref>{{Cite journal|title=Open-path cavity ring-down spectroscopy sensor for atmospheric ammonia|last=Soran Shadman|last2=Charles Rose|date=2016|journal=Applied Physics B|doi=10.1007/s00340-016-6461-5|volume=122|pages=194|bibcode=2016ApPhB.122..194S|last3=Azer P. Yalin}}</ref>

第二，由于它非常长的吸收长度，其非常灵敏。在吸收测量中，最小可探测吸收正比于样品的吸收长度。由于光在反射镜之间被来回反射了很多次，使得它有非常长的吸收长度。例如，激光脉冲来回通过一个一米的光腔500次，就会带来1公里的有效吸收长度。

由此包含以下优点：
* 高灵敏度，因其在检测池中有长吸收长度的特性；
* 免疫激光光强波动，因其测量的是速率而非强度；
* 宽的可应用光谱范围，对给定的镜片一般可在±5% 中心波长范围内工作；
* 高速度，一次衰荡事件可以在毫秒的时间尺度上完成；
* 不需要[[荧光]]，这使得它对一些(例如快速解离)系统相较于{{link-en|激光诱导荧光|Laser-induced fluorescence}}(Laser-induced fluorescence, LIF)和[[共振增强多光子离子化]](Resonance-enhanced multiphoton ionization, REMPI)更有吸引力。

== 光腔衰荡光谱的缺点 ==
* 因为只能使用[[单色]]激光光源，光谱不能很快速地获得。尽管这样说，一些研究组正在开始开发利用宽带[[有机发光二极管]]或[[超连续光谱]]光源<ref>{{Cite journal |author=K. Stelmaszczyk |journal=Appl. Phys. B-Lasers O. |volume=94 |date=2009 |page=369 |doi=10.1007/s00340-008-3320-z |title=Towards supercontinuum cavity ring-down spectroscopy |issue=3|bibcode = 2009ApPhB..94..369S |display-authors=etal}}</ref><ref>{{Cite journal |author=K. Stelmaszczyk |journal=Opt. Express |volume=17 |date=2009 |page=3673 |doi=10.1364/OE.17.003673 |title=Cavity ring-down absorption spectrography based on filament-generated supercontinuum light |issue=5|bibcode = 2009OExpr..17.3673S |display-authors=etal}}</ref><ref>{{Cite journal |author=W. Nakaema |journal=Sensors |volume=11 |date=2011 |page=1620 |doi=10.3390/s110201620 |title=PCF-Based Cavity Enhanced Spectroscopic Sensors for Simultaneous Multicomponent Trace Gas Analysis |issue=2|display-authors=etal}}</ref><ref>{{Cite journal |author=Thorpe, Michael J. |journal=Science |volume=311 |date=2006 |page=1595--1599 |doi=10.1126/science.1123921 |title=Broadband Cavity Ringdown Spectroscopy for Sensitive and Rapid Molecular Detection |display-authors=etal}}</ref>用于光腔衰荡光谱，其中光可以被光栅色散之后由[[電荷耦合元件|CCD]]探测或是由傅里叶变换光谱仪探测。也许更重要的是，积分腔输出光谱(Integrated Cavity Output Spectroscopy, ICOS)的发展已经有了长足的进步{{Citation needed|date=January 2018}}，在具有相等水平的灵敏度情况下，其相较于光腔衰荡光谱更为适合用于实地测量。
*受限于可用的激光光源和高反射率反射镜的限制，在很多波段的光腔衰荡光谱是较为难获得的。
*花费：因为光腔衰荡光谱对光源和高反射率反射镜的要求，其花费往往相较于其他光谱方法较为昂贵。

== 参见 ==
* [[吸收光谱学|吸收光谱]]
* {{link-en|激光吸收光谱|Laser absorption spectrometry}}
* {{link-en|激光诱导荧光|Laser-induced fluorescence}}
* [[共振增强多光子离子化]]

== 参考资料 ==
<references />
* {{cite journal | title = Cavity ring-down Optical Spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources | journal = Review of Scientific Instruments | author = Anthony O'Keefe |author2=David A.G. Deacon | year = 1988 | volume = 59 | page = 2544|bibcode = 1988RScI...59.2544O |doi = 10.1063/1.1139895 }}
* {{cite journal | title = Cavity ring-down spectroscopy for quantitative absorption measurements | journal = The Journal of Chemical Physics | author = Piotr Zalicki |author2=Richard N. Zare | volume = 102 | issue = 7 | date = 15 February 1995| pages = 2708–2717 | doi = 10.1063/1.468647 |bibcode = 1995JChPh.102.2708Z }}
* {{cite journal  | title = Cavity ring-down spectroscopy: Experimental schemes and applications | journal = International Reviews in Physical Chemistry | year = 2000 | volume = 19 | issue = 4 | author = Giel Berden |author2=Rudy Peeters |author3=Gerard Meijer  | doi = 10.1080/014423500750040627 | pages = 565–607 |bibcode = 2000IRPC...19..565B }}

{{DEFAULTSORT:Cavity Ring-Down Spectroscopy}}
[[Category:光学]]
[[Category:光谱学]]