技術(shù)文章

　　實(shí)驗(yàn)名稱：基于光纖激光器NICE-OHMS技術(shù)NH₃濃度的測(cè)量

　　研究方向：

　　NICE-OHMS技術(shù)最初的目的是為了得到一個(gè)高度穩(wěn)定的頻率參考，結(jié)合了FMS與CEAS技術(shù)，1996年美國(guó)JILA小組的YeJun等人提出腔增強(qiáng)的頻率調(diào)制光譜技術(shù)。基于高穩(wěn)定的Nd：YAG激光器和精細(xì)度為10⁵的高精細(xì)度腔，他們將激光器鎖定到了1064nm處C₂HD的亞多普勒信號(hào)上，獲得了1×10^-14cm^-1的探測(cè)靈敏度和1×10^-11頻率穩(wěn)定度（1s積分時(shí)間）。之后，人們發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)在氣體探測(cè)方向上同樣具有發(fā)展?jié)摿Γ谑腔诓煌す馄鲗?duì)不同氣體分子吸收的測(cè)量實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了。為了獲得完整的吸收線型，大量可調(diào)諧激光器測(cè)量了多普勒展寬下的氣體吸收信號(hào)。在NICE-OHMS中，為了結(jié)合FMS與CEAS，在通過(guò)PDH技術(shù)將激光載頻鎖定到高精細(xì)度腔TEM00模的同時(shí)，需要通過(guò)DVB技術(shù)將FMS中的調(diào)制頻率鎖定到高精細(xì)度腔的自由光譜區(qū)上，由于FMS中的載波和邊帶同時(shí)受到PDH鎖定中頻率-噪聲的影響，它們的拍頻信號(hào)會(huì)將這部分干擾抵消掉，所以NICE-OHMS技術(shù)對(duì)該類噪聲免疫，而這個(gè)噪聲是限制CEAS探測(cè)靈敏度的主要因素。這些因素使得NICE-OHMS技術(shù)成為世界上靈敏度最高的痕量氣體檢測(cè)技術(shù)之一，同時(shí)也是高效的激光頻率穩(wěn)定技術(shù)。

　　測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、光纖激光器、光纖聲光調(diào)制器、低通濾波器等。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

　　圖1：NICE-OHMS實(shí)驗(yàn)裝置圖

　　FL，光纖激光器；f-AOM，光纖聲光調(diào)制器；f-AOM，光纖電光調(diào)制器；OI，空間光單通隔離器；MML，模式匹配透鏡；λ/2，二分之一波片；λ/4，四分之一波片；PBS，偏振分束棱鏡；Len，聚焦透鏡；PD，光電探測(cè)器；PID，比例積分微分控制器；HVA，高壓放大器；LP，低通濾波器；DBM，雙平衡混頻器；FG，函數(shù)發(fā)生器；φ，移相器；PID，比例積分微分控制器

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，光路部分：光纖激光器（FL）產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)光纖耦合的聲光調(diào)制器（f-AOM），f-AOM+1級(jí)的衍射使激光頻移110MHz，頻移的激光經(jīng)過(guò)光纖耦合的電光調(diào)制器（f-EOM），該電光調(diào)制器是波導(dǎo)型電光調(diào)制器，只允許沿e軸偏振的激光通過(guò)，避免了殘余幅度調(diào)制的影響，通過(guò)f-EOM的激光由光纖準(zhǔn)直器對(duì)光束整形后輸出到自由空間。出射的空間光先經(jīng)過(guò)光學(xué)隔離器（OI），這是為了避免光學(xué)元件之間的反射光進(jìn)入到光纖中對(duì)光纖器件損壞，之后由匹配透鏡（MML）對(duì)光束的光斑半徑和曲率半徑變換后通過(guò)二分之一波片（λ/2），λ/2將激光的偏振方向調(diào)整為與偏振分束棱鏡（PBS）透射光偏振方向一致，透射過(guò)PBS的光經(jīng)過(guò)四分之一波片（λ/4）耦合進(jìn)入高精細(xì)度腔。腔的反射光再次通過(guò)λ/4，兩次經(jīng)過(guò)λ/4的結(jié)果是激光的偏振方向與透射過(guò)PBS光的偏振方向垂直，從而由PBS反射由透鏡1（len1）聚焦后進(jìn)入探測(cè)器1（PD1），用于PDH和DVB的鎖定。腔的透射光經(jīng)透鏡2（len2）會(huì)聚后進(jìn)入探測(cè)器2（PD2）探測(cè)，用于NICE-OHMS信號(hào)的獲得。光路中盡量?jī)A斜光學(xué)器件的光學(xué)平面，按照Etalon免疫距離（EID）的位置擺放，避免產(chǎn)生Etalon噪聲影響最終信號(hào)。

　　電路部分：解調(diào)透射光以獲得NICE-OHMS信號(hào)的射頻頻率νfsr=380MHz由信號(hào)發(fā)生器1（FG1）直接產(chǎn)生，信號(hào)發(fā)生器2（FG2）產(chǎn)生νdvb=355MHz，兩者的拍頻結(jié)果通過(guò)一個(gè)35MHz低通濾波器（LP1）獲得νPDH=25MHz。νfsr和νPDH同時(shí)加在f-EOM上對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制系數(shù)分別對(duì)應(yīng)0.8和0.19。PD1探測(cè)的交流信號(hào)分成兩束，分別用于PDH鎖定與DVB鎖定。與νPDH混頻的結(jié)果經(jīng)過(guò)低通濾波器2（LP2）送入比例積分微分控制器1和2（PID1和PID2，自制），PID1輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)高壓放大器放大（HVA）加載到激光器上，PID2輸出信號(hào)直接給到f-AOM上，兩者搭配實(shí)現(xiàn)帶寬為100kHz的PDH鎖定。與νdvb混頻的結(jié)果，經(jīng)過(guò)低通濾波器3（LP3）由比例微分積分控制器3（PID3）反饋到FG1的頻率控制端口，用于實(shí)現(xiàn)帶寬100kHz的DVB的鎖定。鎖定后的激光頻率與腔模頻率一致，掃描F-P腔上壓電陶瓷長(zhǎng)度改變腔模頻率進(jìn)而改變激光器的頻率，當(dāng)激光頻率掃過(guò)目標(biāo)吸收物的分子躍遷線，透射出腔體的激光被探測(cè)器2接收，探測(cè)器2輸出的交流信號(hào)與νfsr混頻，然后經(jīng)過(guò)低通濾波器4（LP4），得到NICE-OHMS信號(hào)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　圖2：基于NICE-OHMS系統(tǒng)測(cè)量的氣體吸收信號(hào)；(a)CEAS信號(hào)；(b)吸收相位的NICE-OHMS信號(hào)；(c)色散相位的NICE-OHMS信號(hào)

　　圖2所示的是腔內(nèi)氣壓保持70mTorr時(shí)候得到的系統(tǒng)信號(hào)，圖2（a）是測(cè)量得到的CEAS信號(hào)，受頻率-幅度噪聲的影響，信號(hào)的信噪比，即信號(hào)幅度與線型寬度比僅為4.3。由前面分析，在70mTorr氣壓下氣體的展寬線型主要是高斯線型，圖2（a）中的紅線是高斯線型擬合的結(jié)果，可以看到測(cè)量信號(hào)與擬合線型擬合度很高。圖2（b）和圖2(c)分別是用νfsr在吸收相位和色散相位解調(diào)透射腔模得到的NICE-OHMS信號(hào)，可以看到信號(hào)上下對(duì)稱，線型平滑，說(shuō)明在激光頻率掃描過(guò)程中，激光到腔保持了良好的鎖定效果，圖中色散信號(hào)的幅度要大于吸收信號(hào)幅度，對(duì)色散信號(hào)的測(cè)量顯示，信號(hào)幅度與線型寬度比為188，相較于腔增強(qiáng)信號(hào)，提升了43倍。本次測(cè)量激光的波數(shù)是1530.58nm，對(duì)應(yīng)NH₃在6533.4515cm-1位置吸收線，由HITRIN數(shù)據(jù)庫(kù)知躍遷線強(qiáng)度為4.436×10-22（cm^-1/molecule/cm^-2），可以知對(duì)應(yīng)的探測(cè)靈敏度為3.7×10^-10cm^-1。

　　高壓放大器推薦：ATA-2022B

　　圖：ATA-2022B高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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