基于NICE-OHMS技术进行大气压气样直接检测的理论分析
发布时间：2020-12-28 12:57
噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术（NICE-OHMS）是目前世界上最灵敏的激光吸收光谱技术,其在低压环境中具有极高的探测灵敏度。然而当测量样品处于大气压时, NICE-OHMS系统的探测灵敏度会大幅下降。主要原因之一是大气压下获取最大NICE-OHMS信号幅度的条件与低气压下不同。通过对大气压NICE-OHMS理论进行分析,分析了影响信号幅度的参数,并通过数值模拟来寻找最佳的实验条件。本文着重讨论影响信号的主要参数包括光学腔腔长L,调制系数β,探测相位θ。其中,由于在NICE-OHMS中使用DeVoe-Brewer技术将调制频率νm锁定到Fabry-Parot（FP）腔的自由光谱区（FSR）。因此FP腔的腔长决定了νm,同时还作用于信号幅度S■。模拟结果显示,当腔长增大时,由于νm随之减小,载波和边带的光谱成分相互重叠部分增大,因此线型函数的幅度逐渐减小。而吸收信号幅度随着腔长的增加而逐渐增加,色散信号幅度先增大后减小,并且在腔长等于8 cm时达到最大值。调制系数β会影响频率调制后激光载波和边带的幅度大小,并且影响信号线...
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
L=40 cm时NICE-OHMS信号
图2(a)为模拟得到的不同解调相位下线型函数 χ ˉ NO幅度与腔长的关系, 其中红色、 黑色和蓝色点线分别对应吸收、 色散和幅度最大解调相位时的信号, 数值模拟参数与图1一致。 从图中可知, 随着腔长的增加, 线型函数的幅度呈下降趋势。 这是因为随着腔长的增加, νm减小, 吸收线型中χ -1 abs 和χ 1 abs 项相互靠近, 而两项相位相反, 相互抵消从而减小线型幅度; 而色散线型中χ -1 disp 和χ 1 disp 项逐渐靠近2χ 0 disp 项, 并且相位与2χ 0 disp 项相反, 从而造成线型幅度衰减。 当腔长小于7 cm时, 吸收与色散线型幅度相近, 随着腔长的增加, 两个线型幅度衰减, 但是吸收相位幅度衰减较小; 当L=20 cm时, νm=750 MHz, 吸收线型幅度是色散的3倍; 当腔长大于20 cm之后, 吸收线型与最大相位时的幅度近乎相等。图2(b)为模拟得到的NICE-OHMS信号幅度随腔长的变化。 从图中可知随着腔长的增加, 色散信号幅度是先增加后减小, 并且在腔长等于8 cm时达到最大值。 吸收信号与最大信号的幅度逐渐增大, 但增速逐渐变缓, 并且在腔长大于30 cm后基本不变。 吸收和色散信号的表现不同主要是由于色散线型函数幅度随腔长的下降率大于吸收信号。 当腔长等于20 cm时, 吸收信号的幅度是色散信号的3.2倍。
在NICE-OHMS装置中, 需将激光频率锁定到FP腔, 通过控制腔上PZT的电压来实现激光频率的同步调谐, 因此该PZT的频率扫描范围也是限制光谱测量的因素之一。PZT的频率扫描范围与腔长变化的对应关系为：Δν=cΔL/（Lλ），其中c为光速，L为腔长，ΔL为PZT的最大伸长长度，，λ为激光波长。目前典型的NICE-OHMS实验装置[4,11]均采用Piezomechanik公司的环形PZT，单个最大伸长长度约为25μm。图4(b）显示了在1 531nm波长处模拟的PZT的最大频率扫描范围与腔长的对应关系，可见随着腔长的增加，扫描范围迅速减小，当大于10cm时，减小速度变缓。当腔长为60cm时，PZT的扫描范围大于8GHz；在腔长为典型的40cm时，扫描范围大于12GHz。根据图4(a）所示的信号峰峰间距，可发现25μm的PZT伸长长度足够探测大气压下的NICE-OHMS信号。图4 (a)腔长与谱线宽度的关系, (b)压电陶瓷的扫描范围与腔长的关系
本文编号：2943792
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
L=40 cm时NICE-OHMS信号
图2(a)为模拟得到的不同解调相位下线型函数 χ ˉ NO幅度与腔长的关系, 其中红色、 黑色和蓝色点线分别对应吸收、 色散和幅度最大解调相位时的信号, 数值模拟参数与图1一致。 从图中可知, 随着腔长的增加, 线型函数的幅度呈下降趋势。 这是因为随着腔长的增加, νm减小, 吸收线型中χ -1 abs 和χ 1 abs 项相互靠近, 而两项相位相反, 相互抵消从而减小线型幅度; 而色散线型中χ -1 disp 和χ 1 disp 项逐渐靠近2χ 0 disp 项, 并且相位与2χ 0 disp 项相反, 从而造成线型幅度衰减。 当腔长小于7 cm时, 吸收与色散线型幅度相近, 随着腔长的增加, 两个线型幅度衰减, 但是吸收相位幅度衰减较小; 当L=20 cm时, νm=750 MHz, 吸收线型幅度是色散的3倍; 当腔长大于20 cm之后, 吸收线型与最大相位时的幅度近乎相等。图2(b)为模拟得到的NICE-OHMS信号幅度随腔长的变化。 从图中可知随着腔长的增加, 色散信号幅度是先增加后减小, 并且在腔长等于8 cm时达到最大值。 吸收信号与最大信号的幅度逐渐增大, 但增速逐渐变缓, 并且在腔长大于30 cm后基本不变。 吸收和色散信号的表现不同主要是由于色散线型函数幅度随腔长的下降率大于吸收信号。 当腔长等于20 cm时, 吸收信号的幅度是色散信号的3.2倍。
在NICE-OHMS装置中, 需将激光频率锁定到FP腔, 通过控制腔上PZT的电压来实现激光频率的同步调谐, 因此该PZT的频率扫描范围也是限制光谱测量的因素之一。PZT的频率扫描范围与腔长变化的对应关系为：Δν=cΔL/（Lλ），其中c为光速，L为腔长，ΔL为PZT的最大伸长长度，，λ为激光波长。目前典型的NICE-OHMS实验装置[4,11]均采用Piezomechanik公司的环形PZT，单个最大伸长长度约为25μm。图4(b）显示了在1 531nm波长处模拟的PZT的最大频率扫描范围与腔长的对应关系，可见随着腔长的增加，扫描范围迅速减小，当大于10cm时，减小速度变缓。当腔长为60cm时，PZT的扫描范围大于8GHz；在腔长为典型的40cm时，扫描范围大于12GHz。根据图4(a）所示的信号峰峰间距，可发现25μm的PZT伸长长度足够探测大气压下的NICE-OHMS信号。图4 (a)腔长与谱线宽度的关系, (b)压电陶瓷的扫描范围与腔长的关系
本文编号：2943792
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