安泰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技術最初的目的是為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激光器和精細度為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）。之后，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。為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，為了結合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干擾抵消掉，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技術成為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，光纖聲光調制器；f-AOM，光纖電光調制器；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，函數發生器；φ，移相器；PID，比例積分微分控制器

　　實驗裝置如圖1所示，光路部分：光纖激光器（FL）產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的激光由光纖準直器對光束整形后輸出到自由空間。出射的空間光先經過光學隔離器（OI），這是為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，之后由匹配透鏡（MML）對光束的光斑半徑和曲率半徑變換后通過二分之一波片（λ/2），λ/2將激光的偏振方向調整為與偏振分束棱鏡（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）聚焦后進入探測器1（PD1），用于PDH和DVB的鎖定。腔的透射光經透鏡2（len2）會聚后進入探測器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，避免產生Etalon噪聲影響最終信號。

　　電路部分：解調透射光以獲得NICE-OHMS信號的射頻頻率νfsr=380MHz由信號發生器1（FG1）直接產生，信號發生器2（FG2）產生νdvb=355MHz，兩者的拍頻結果通過一個35MHz低通濾波器（LP1）獲得νPDH=25MHz。νfsr和νPDH同時加在f-EOM上對激光進行調制，調制系數分別對應0.8和0.19。PD1探測的交流信號分成兩束，分別用于PDH鎖定與DVB鎖定。與νPDH混頻的結果經過低通濾波器2（LP2）送入比例積分微分控制器1和2（PID1和PID2，自制），PID1輸出信號經過高壓放大器放大（HVA）加載到激光器上，PID2輸出信號直接給到f-AOM上，兩者搭配實現帶寬為100kHz的PDH鎖定。與νdvb混頻的結果，經過低通濾波器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，用于實現帶寬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腔上壓電陶瓷長度改變腔模頻率進而改變激光器的頻率，當激光頻率掃過目標吸收物的分子躍遷線，透射出腔體的激光被探測器2接收，探測器2輸出的交流信號與νfsr混頻，然后經過低通濾波器4（LP4），得到NICE-OHMS信號。

　　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為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為4.436×10-22（cm-1/molecule/cm-2），可以知對應的探測靈敏度為3.7×10-10cm-1。

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