實驗名稱：OF-CEAS中線性F-P腔在CH4氣體檢測中的應用

研究方向：甲烷(CH4)作為一種重要的溫室氣體，實現CH4氣體的在線高靈敏度檢測對人類的生產生活有著重要的意義。使用OF-CEAS測量大氣CH4濃度不僅可以實現高靈敏度、高精度的檢測，同時可以避免大氣中H2O和CO2等干擾氣體的影響。本章介紹基于線性F-P腔OF-CEAS技術的CH4檢測系統，實驗搭建基于線性兩腔鏡F-P諧振腔，選取中心頻率為1.65μm的DFB激光器作為光源，使用衰減片實現對反饋光強的調節，使用水平位移臺和壓電陶瓷調整激光器到F-P腔的距離。

測試設備：高壓放大器、函數發生器、半導體激光器、壓電陶瓷等。

實驗過程：

圖1：基于線性F-P腔的OF-CEAS原理圖

如圖1所示，搭建了一套基于線性F-P腔的OF-CEAS系統。系統采用中心波長為1.65μm的連續單模輸出半導體激光器，其最大輸出功率為10mW。將激光器安裝在一個二維平移臺上，用來實現水平位置的調節。使用激光驅動控制器控制激光器的溫度及注入電流，并設置其溫度為26℃，中心電流為75mA。函數發生器控制輸出頻率為10Hz，幅度為200mV的三角波信號實現激光器出光波長的連續調諧。激光器輸出光束分為兩部分，一束光經耦合器傳輸到波長計中，實現激光頻率監視；另一束光經過衰減片、兩塊反射鏡以及匹配透鏡后耦合到光學腔中，其中衰減片可以用來調節通過激光的光強進而改變反饋率。在靠近F-P腔的反射鏡后面安裝壓電陶瓷，其在有高電壓輸入的條件下可以實現長度的有規律改變，使用高壓放大器來產生高壓電流。

實驗結果：

圖2：N2背景下線性腔透射信號

如圖2所示，為實驗中得到的在腔體中充入一個大氣壓N2氣體得到的無吸收情況下的透射腔模信號。圖中每個單一的透射腔模型狀均為“拱門型”，此時腔模加寬，左右對稱，說明反饋相位和反饋率等基本符合實驗要求。

圖3：氣壓689.2Torr下20ppmCH4氣體吸收信號

圖3為在腔體中充入一個大氣壓CH4得到的CH4氣體OF-CEAS吸收光譜信號。此時三角波掃描頻率為10Hz、掃描幅度為200mV，對應激光器的頻率調諧范圍約為6046.1-6047.5cm-1。在掃描的過程中，DFB激光器可以鎖定到86個連續的腔模，得到CH4吸收信號大約覆蓋了24個FSRs。

高壓放大器推薦：ATA-2042

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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