摘要
腔衰荡光谱技术是一种高灵敏度的光谱学方法，通过测量光束在光学谐振腔中
的衰荡时间来获取待测物质的吸收激光光谱信息。腔衰荡光谱技术在痕量气体检测
领域具有测量灵敏度高、响应速度快、能够实现实时在线测量、操作简单等优点，
被广泛地应用于大气环境检测、危险气体测量等领域之中。
45?
目前在采用了三镜环形谐振腔结构的腔衰荡光谱仪器的开发中，由于高反镀
膜腔镜的反射率敏感于激光的偏振态，对于S偏振光的反射率大于99.99%，而对于
P99.95%S
偏振光反射率通常小于，为了获取高灵敏度，因此入射光被控制在偏振
态。但是当腔内气体浓度很高时，高反射率腔镜会导致腔内光强迅速下降，使得衰
荡时间无法准确测量，最终限制了仪器的测量量程。
鉴于目前腔衰荡光谱检测仪器存在的局限性，本文开展基于三角环形腔的腔衰
PSS
荡光谱技术研究，发展了同时触发偏振光以及偏振光的腔衰荡光谱技术，利用
偏振光获取高灵敏度的气体检测，利用P偏振光测量高浓度气体信号，有效拓展腔
衰荡测量的量程。
本次论文从基于三角环形谐振腔的腔衰荡光谱技术的测量原理出发，对
Beer-Lambert定律相关内容进行详细分析，推导出实验系统采用的三角环形谐振腔的
透射光强度、谐振腔内光强放大倍数、吸收介质浓度以及探测灵敏度的计算公式，
深入分析腔衰荡光谱技术的测量原理。针对三角环形谐振腔体结构的偏振特性进行
分析，提出使用双偏振测量的技术方案。通过以上工作，为实验提供理论支撑。
基于理论研究，设计并搭建基于三角环形谐振腔的腔衰荡光谱技术实验系统。
DFB
采用近红外分布式反馈激光器（），使用自主设计的三角环形谐振腔，实现了
整体实验系统的搭建。使用实验系统，通过测量20分钟空腔衰荡时间，评估系统的
-9-1
S3.4×10cm
探测灵敏度，得出偏振方向吸收系数在未平均情况下的检测极限为，
-7-1
P8.3×10cmS
偏振方向吸收系数在未平均情况下的检测极限为。使用偏振方向入
射激光完成0.5-100ppm浓度甲烷气体测量，P偏振入射激光进行200-500ppm甲烷
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气体的测量，最终实现了对浓度变化范围个数量级的气体测量。最后分析了数字
脉冲发生器输出TTL信号幅度对衰荡信号采集信噪比的影响。
关键词：腔衰荡光谱技术；三角环形谐振腔；激光偏振方向；吸收系数
I
ABSTRACT
Cavityring-downspectroscopy(CRDS)isahighlysensitivespectroscopicmethod
thatobtainstheabsorptionlaserspectralinformationofthesubstancetobemeasuredby
measuringthede