實驗名稱：基于光纖激光器NICE-OHMS技術(shù)NH3濃度的測量

　　研究方向：

　　NICE-OHMS技術(shù)最初的目的是為了得到一個高度穩(wěn)定的頻率參考,，結(jié)合了FMS與CEAS技術(shù),，1996年美國JILA小組的YeJun等人提出腔增強的頻率調(diào)制光譜技術(shù),。基于高穩(wěn)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(wěn)定度（1s積分時間）。之后,，人們發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)在氣體探測方向上同樣具有發(fā)展?jié)摿?，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(diào)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(jié)合FMS與CEAS,，在通過PDH技術(shù)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(shù)將FMS中的調(diào)制頻率鎖定到高精細度腔的自由光譜區(qū)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(shù)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(shù)成為世界上靈敏度最高的痕量氣體檢測技術(shù)之一，同時也是高效的激光頻率穩(wěn)定技術(shù),。

　　測試設(shè)備：高壓放大器,、函數(shù)發(fā)生器、光纖激光器,、光纖聲光調(diào)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(diào)制器,；f-AOM,，光纖電光調(diào)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(shù)發(fā)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(chǎn)生的激光經(jīng)過光纖耦合的聲光調(diào)制器（f-AOM）,，f-AOM+1級的衍射使激光頻移110MHz,，頻移的激光經(jīng)過光纖耦合的電光調(diào)制器（f-EOM），該電光調(diào)制器是波導(dǎo)型電光調(diào)制器,，只允許沿e軸偏振的激光通過,，避免了殘余幅度調(diào)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(jīng)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(diào)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(jīng)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(jīng)過λ/4的結(jié)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(jīng)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(chǎn)生Etalon噪聲影響最終信號,。

　　電路部分：解調(diào)透射光以獲得NICE-OHMS信號的射頻頻率νfsr=380MHz由信號發(fā)生器1（FG1）直接產(chǎn)生，信號發(fā)生器2（FG2）產(chǎn)生νdvb=355MHz,，兩者的拍頻結(jié)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(diào)制，調(diào)制系數(shù)分別對應(yīng)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(jié)果經(jīng)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(jīng)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(xiàn)帶寬為100kHz的PDH鎖定,。與νdvb混頻的結(jié)果，經(jīng)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(xiàn)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(jīng)過低通濾波器4（LP4），得到NICE-OHMS信號,。

　　實驗結(jié)果：

　　圖2：基于NICE-OHMS系統(tǒng)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(nèi)氣壓保持70mTorr時候得到的系統(tǒng)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(jié)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(diào)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(shù)是1530.58nm,，對應(yīng)NH3在6533.4515cm-1位置吸收線，由HITRIN數(shù)據(jù)庫知躍遷線強度為4.436×10-22（cm-1/molecule/cm-2）,，可以知對應(yīng)的探測靈敏度為3.7×10-10cm-1,。

　　高壓放大器推薦：ATA-2022B

　　圖：ATA-2022B高壓放大器指標參數(shù)

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