La espectroscopia de anillo de cavidad ( CRDS ) es una técnica espectroscópica óptica de alta sensibilidad que permite medir la extinción óptica absoluta mediante muestras que dispersan y absorben la luz. Se ha utilizado ampliamente para estudiar muestras gaseosas que absorben luz en longitudes de onda específicas y, a su vez, para determinar fracciones molares hasta el nivel de partes por billón . La técnica también se conoce como espectroscopia de absorción láser de anillo de cavidad ( CRLAS ).
Una configuración típica de CRDS consiste en un láser que se utiliza para iluminar una cavidad óptica de alta delicadeza , que en su forma más simple consta de dos espejos altamente reflectantes . Cuando el láser está en resonancia con un modo de cavidad , la intensidad se acumula en la cavidad debido a la interferencia constructiva . A continuación, se apaga el láser para permitir la medición de la intensidad de la luz que decae exponencialmente que se escapa de la cavidad. Durante esta desintegración, la luz se refleja hacia adelante y hacia atrás miles de veces entre los espejos, lo que proporciona una longitud de trayectoria efectiva para la extinción del orden de unos pocos kilómetros.
Si ahora se coloca un material absorbente de luz en la cavidad, la vida media disminuye a medida que se requieren menos rebotes a través del medio antes de que la luz se absorba por completo o se absorba a una fracción de su intensidad inicial. Una configuración de CRDS mide cuánto tiempo tarda la luz en decaer a 1 / e de su intensidad inicial, y este "tiempo de espera" se puede utilizar para calcular la concentración de la sustancia absorbente en la mezcla de gases en la cavidad.
La espectroscopia de anillo de cavidad es una forma de espectroscopia de absorción láser . En CRDS, un pulso de láser queda atrapado en una cavidad de detección altamente reflectante (típicamente R> 99,9%) . La intensidad del pulso atrapado disminuirá en un porcentaje fijo durante cada viaje de ida y vuelta dentro de la celda debido a la absorción , la dispersión del medio dentro de la celda y las pérdidas de reflectividad. La intensidad de la luz dentro de la cavidad se determina luego como una función exponencial del tiempo.
El principio de funcionamiento se basa en la medición de una tasa de desintegración en lugar de una absorbancia absoluta . Esta es una de las razones del aumento de la sensibilidad con respecto a la espectroscopia de absorción tradicional, ya que la técnica es inmune a las fluctuaciones del láser de disparo a disparo. La constante de desintegración, τ, que es el tiempo que tarda la intensidad de la luz en descender a 1 / e de la intensidad inicial, se denomina tiempo de anulación y depende de los mecanismos de pérdida dentro de la cavidad. Para una cavidad vacía, la constante de desintegración depende de la pérdida del espejo y de varios fenómenos ópticos como la dispersión y la refracción:
donde n es el índice de refracción dentro de la cavidad, c es la velocidad de la luz en el vacío, l es la longitud de la cavidad, R es la reflectividad del espejo y X tiene en cuenta otras pérdidas ópticas diversas. Esta ecuación utiliza la aproximación de que ln (1+ x ) ≈ x para x cercano a cero, que es el caso en condiciones de anillo de cavidad. A menudo, las pérdidas diversas se tienen en cuenta en una pérdida de espejo efectiva para simplificar. Una especie absorbente en la cavidad aumentará las pérdidas de acuerdo con la ley de Beer-Lambert . Suponiendo que la muestra llena toda la cavidad,