高壓放大器在光纖激光器NICE-OHMS技術NH3濃度測量中的應用
實驗名稱:基于光纖激光器NICE-OHMS技術NH3濃度的測量
研究方向:
NICE-OHMS技術最初的目的是爲了得到一個高度穩定的頻率參考,結合了FMS與CEAS技術,1996年美國JILA小組的YeJun等人提出腔增強的頻率調制光譜技術。基于高穩定的Nd:YAG激光器和精細度爲105的高精細度腔,他們將激光器鎖定到了1064nm處C2HD的亞多普勒信號上,獲得了1×10-14cm-1的探測靈敏度和1×10-11頻率穩定度(1s積分時間)。之後,人們發現這項技術在氣體探測方向上同樣具有發展潛力,于是基于不同激光器對不同氣體分子吸收的測量實驗開展了。爲了獲得完整的吸收線型,大量可調諧激光器測量了多普勒展寬下的氣體吸收信號。在NICE-OHMS中,爲了結合FMS與CEAS,在通過PDH技術將激光載頻鎖定到高精細度腔TEM00模的同時,需要通過DVB技術將FMS中的調制頻率鎖定到高精細度腔的自由光譜區上,由于FMS中的載波和邊帶同時受到PDH鎖定中頻率-噪聲的影響,它們的拍頻信號會將這部分幹擾抵消掉,所以NICE-OHMS技術對該類噪聲免疫,而這個噪聲是限制CEAS探測靈敏度的主要因素。這些因素使得NICE-OHMS技術成爲世界上靈敏度最高的痕量氣體檢測技術之一,同時也是高效的激光頻率穩定技術。
測試設備:高壓放大器、函數發生器、光纖激光器、光纖聲光調制器、低通濾波器等。
實驗過程:
圖1:NICE-OHMS實驗裝置圖
FL,光纖激光器;f-AOM,光纤声光调制器;f-AOM,光纤电光调制器;OI,空间光单通隔离器;MML,模式匹配透镜;λ/2,二分之一波片;λ/4,四分之一波片;PBS,偏振分束棱镜;Len,聚焦透镜;PD,光电探测器;PID,比例积分微分控制器;HVA,高壓放大器;LP,低通滤波器;DBM,双平衡混频器;FG,函数发生器;φ,移相器;PID,比例积分微分控制器
實驗裝置如圖1所示,光路部分:光纖激光器(FL)産生的激光經過光纖耦合的聲光調制器(f-AOM),f-AOM+1級的衍射使激光頻移110MHz,頻移的激光經過光纖耦合的電光調制器(f-EOM),該電光調制器是波導型電光調制器,只允許沿e軸偏振的激光通過,避免了殘余幅度調制的影響,通過f-EOM的激光由光纖准直器對光束整形後輸出到自由空間。出射的空間光先經過光學隔離器(OI),這是爲了避免光學元件之間的反射光進入到光纖中對光纖器件損壞,之後由匹配透鏡(MML)對光束的光斑半徑和曲率半徑變換後通過二分之一波片(λ/2),λ/2將激光的偏振方向調整爲與偏振分束棱鏡(PBS)透射光偏振方向一致,透射過PBS的光經過四分之一波片(λ/4)耦合進入高精細度腔。腔的反射光再次通過λ/4,兩次經過λ/4的結果是激光的偏振方向與透射過PBS光的偏振方向垂直,從而由PBS反射由透鏡1(len1)聚焦後進入探測器1(PD1),用于PDH和DVB的鎖定。腔的透射光經透鏡2(len2)會聚後進入探測器2(PD2)探測,用于NICE-OHMS信號的獲得。光路中盡量傾斜光學器件的光學平面,按照Etalon免疫距離(EID)的位置擺放,避免産生Etalon噪聲影響最終信號。
电路部分:解调透射光以获得NICE-OHMS信号的射频频率νfsr=380MHz由信号发生器1(FG1)直接产生,信号发生器2(FG2)产生νdvb=355MHz,两者的拍频结果通过一个35MHz低通滤波器(LP1)获得νPDH=25MHz。νfsr和νPDH同时加在f-EOM上对激光进行调制,调制系数分别对应0.8和0.19。PD1探测的交流信号分成两束,分别用于PDH锁定与DVB锁定。与νPDH混频的结果经过低通滤波器2(LP2)送入比例积分微分控制器1和2(PID1和PID2,自制),PID1输出信号经过高壓放大器放大(HVA)加载到激光器上,PID2输出信号直接给到f-AOM上,两者搭配实现带宽为100kHz的PDH锁定。与νdvb混频的结果,经过低通滤波器3(LP3)由比例微分积分控制器3(PID3)反馈到FG1的频率控制端口,用于实现带宽100kHz的DVB的锁定。锁定后的激光频率与腔模频率一致,扫描F-P腔上压电陶瓷长度改变腔模频率进而改变激光器的频率,当激光频率扫过目标吸收物的分子跃迁线,透射出腔体的激光被探测器2接收,探测器2输出的交流信号与νfsr混频,然后经过低通滤波器4(LP4),得到NICE-OHMS信号。
實驗結果:
圖2:基于NICE-OHMS系統測量的氣體吸收信號;(a)CEAS信號;(b)吸收相位的NICE-OHMS信號;(c)色散相位的NICE-OHMS信號
圖2所示的是腔內氣壓保持70mTorr時候得到的系統信號,圖2(a)是測量得到的CEAS信號,受頻率-幅度噪聲的影響,信號的信噪比,即信號幅度與線型寬度比僅爲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果,可以看到測量信號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透射腔模得到的NICE-OHMS信號,可以看到信號上下對稱,線型平滑,說明在激光頻率掃描過程中,激光到腔保持了良好的鎖定效果,圖中色散信號的幅度要大于吸收信號幅度,對色散信號的測量顯示,信號幅度與線型寬度比爲188,相較于腔增強信號,提升了43倍。本次測量激光的波數是1530.58nm,對應NH3在6533.4515cm-1位置吸收線,由HITRIN數據庫知躍遷線強度爲4.436×10-22(cm-1/molecule/cm-2),可以知對應的探測靈敏度爲3.7×10-10cm-1。
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圖:ATA-2022B高壓放大器指標參數
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