基于1392 nm高靈敏度積分腔的研究及應(yīng)用.pdf

1、痕量氣體檢測(cè)在工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等許多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。積分腔輸出光譜技術(shù)具有高靈敏度、裝置簡單、易于操作、很高的時(shí)間和空間分辨、抗擾動(dòng)能力等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了痕量氣體探測(cè)的有效方法，具有非常寬廣的發(fā)展前景。
　　本論文重點(diǎn)介紹了積分腔輸出光譜技術(shù)的理論和應(yīng)用。在積分腔輸出光譜技術(shù)中，主要噪聲就是 F-P腔干涉造成的激光位相變化引起的過量光強(qiáng)波動(dòng)噪聲，也稱之為腔模噪聲，使用離軸入射可以很好的抑制腔模噪聲。建立了一套基于DFB激光器作

2、為光源的離軸積分腔輸出光譜（OA-ICOS）裝置，中心波長為1392 nm的出射光，通過準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入長度為60 cm，由兩片高反射率鏡片組成的諧振腔內(nèi)，透過腔的信號(hào)經(jīng)過聚焦后由光電探測(cè)器接收。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離軸入射可以激發(fā)大量高階模，使得腔模密度增大，腔模結(jié)構(gòu)基本消失，腔模噪聲得到抑制。利用甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體，在不同壓強(qiáng)下對(duì)腔鏡的反射率進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)腔內(nèi)的壓強(qiáng)是1.599 kPa時(shí)，鏡片的反射率達(dá)到0.99843。選取H2O在7189.344 c

3、m-1和7185.597 cm-1處的譜線分別對(duì)氮?dú)夂图淄橹械乃M(jìn)行測(cè)量。在200 s的采集時(shí)間內(nèi)，最佳的噪聲等效吸收系數(shù)分別是αmin=1.65×10-8 cm-1和αmin=3.75×10-8 cm-1，相應(yīng)的探測(cè)極限（1σ）大約是2.28 ppmv和4 ppmv。
　　為了進(jìn)一步增大靈敏度，將 OA-ICOS與波長調(diào)制光譜（WMS）技術(shù)結(jié)合起來。選擇7185.875 cm-1的吸收譜線，對(duì)不同濃度的甲烷氣體進(jìn)行探測(cè)。經(jīng)過壓

4、強(qiáng)、調(diào)制頻率、相位和振幅的參數(shù)優(yōu)化，通過Allan方差的計(jì)算，得出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間是203s。實(shí)驗(yàn)選取100s的測(cè)量時(shí)間，得出甲烷探測(cè)極限是0.87 ppmv，相應(yīng)最小可探測(cè)吸收是2.2×10^-6 Hz^-1/2。相對(duì)于OA-ICOS裝置的測(cè)量，波長調(diào)制離軸積分腔輸出光譜（WM-OA-ICOS）的靈敏度提高了22倍。通過使用二次諧波峰值高度（2f）和二次諧波峰值高度和一次諧波中值之比（2f/1f）兩種方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，與2f峰值高度