實(shí)驗(yàn)名稱：OF-CEAS中線性F-P腔在CH4氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

研究方向：甲烷(CH4)作為一種重要的溫室氣體，實(shí)現(xiàn)CH4氣體的在線高靈敏度檢測(cè)對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活有著重要的意義。使用OF-CEAS測(cè)量大氣CH4濃度不僅可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度的檢測(cè)，同時(shí)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(shù)的CH4檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)反饋光強(qiáng)的調(diào)節(jié)，使用水平位移臺(tái)和壓電陶瓷調(diào)整激光器到F-P腔的距離。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、半導(dǎo)體激光器、壓電陶瓷等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(tǒng)。系統(tǒng)采用中心波長(zhǎng)為1.65μm的連續(xù)單模輸出半導(dǎo)體激光器，其最大輸出功率為10mW。將激光器安裝在一個(gè)二維平移臺(tái)上，用來(lái)實(shí)現(xiàn)水平位置的調(diào)節(jié)。使用激光驅(qū)動(dòng)控制器控制激光器的溫度及注入電流，并設(shè)置其溫度為26℃，中心電流為75mA。函數(shù)發(fā)生器控制輸出頻率為10Hz，幅度為200mV的三角波信號(hào)實(shí)現(xiàn)激光器出光波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)諧。激光器輸出光束分為兩部分，一束光經(jīng)耦合器傳輸?shù)讲ㄩL(zhǎng)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)激光頻率監(jiān)視；另一束光經(jīng)過(guò)衰減片、兩塊反射鏡以及匹配透鏡后耦合到光學(xué)腔中，其中衰減片可以用來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)激光的光強(qiáng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的有規(guī)律改變，使用高壓放大器來(lái)產(chǎn)生高壓電流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：N2背景下線性腔透射信號(hào)

如圖2所示，為實(shí)驗(yàn)中得到的在腔體中充入一個(gè)大氣壓N2氣體得到的無(wú)吸收情況下的透射腔模信號(hào)。圖中每個(gè)單一的透射腔模型狀均為“拱門(mén)型”，此時(shí)腔模加寬，左右對(duì)稱，說(shuō)明反饋相位和反饋率等基本符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖3：氣壓689.2Torr下20ppmCH4氣體吸收信號(hào)

圖3為在腔體中充入一個(gè)大氣壓CH4得到的CH4氣體OF-CEAS吸收光譜信號(hào)。此時(shí)三角波掃描頻率為10Hz、掃描幅度為200mV，對(duì)應(yīng)激光器的頻率調(diào)諧范圍約為6046.1-6047.5cm-1。在掃描的過(guò)程中，DFB激光器可以鎖定到86個(gè)連續(xù)的腔模，得到CH4吸收信號(hào)大約覆蓋了24個(gè)FSRs。

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圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇