基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱的痕量气体检测技术研究

发布时间：2020-09-24 22:12

　　噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)技术作为当前世界上最灵敏的激光吸收光谱技术,结合了频率调制光谱技术(FMS)与腔增强吸收光谱技术(CEAS)两项技术最大的优点:CEAS技术利用高反镜构成的高精细度谐振腔,使耦合进入光学腔的激光在镜间多次反射延长了光与吸收介质的作用路径,从而增强了吸收信号;FMS技术将气体物质的吸收信息编码到高频段,通过解调滤波的方式有效地抑制了背景噪声,特别是由于激光功率起伏引起的1/f噪声;同时由于FMS技术对激光的调制频率等于腔的自由光谱区(FSR),激光频率相对于腔的任何抖动对调制边带会产生相同的影响,而FMS技术探测的信号是两个边带光的拍频,这使得NICE-OHMS技术独特的拥有了免疫于激光到腔的频率-幅度噪声的特性,而这个噪声是影响CEAS技术探测灵敏度的主要因素。本文从NICE-OHMS的基本原理出发,首先分开介绍了FMS与CEAS的基本原理,重点说明了CEAS当中F-P腔的参数与性能,结合FMS与CEAS介绍了NICE-OHMS的原理及特性,给出了NICE-OHMS的信号线型。之后对实验当中激光器的选择,腔体的设计做了详细说明,理论计算并实现了激光到高精细度腔的模式匹配。进一步的,为了体现频率锁定对于系统的重要性,文章给出了锁定当中换能器传递函数的测量方法,结合换能器的传递函数说明了伺服反馈环路中比例积分微分电路(PID)的设计初衷,通过激光到腔的锁定结果体现了锁定的性能。为了评估搭建的NICE-OHMS装置,在70mTorr气压下对NH_3浓度进行了测量,测量结果显示,Pound-Drever-Hall(PDH)锁定带宽是4.3kHz,DeVoe-Brewer(DVB)锁定带宽0.38kHz,测量的NICE-OHMS信号信噪比是CEAS的43倍,探测灵敏度为3.7×10~(-10)cm~(-1)。由于高精细度腔的使用无源放大了腔内激光功率,使得测量的NH_3发生光饱和,出现了亚多普勒结构,用PDH信号评估显示,亚多普勒半高全宽(FWHM)为2.05MHz,文章最后把高精细度腔腔长锁定到了该亚多普勒吸收线中心,对应于激光频率锁定在了该亚多普勒吸收线上,阿伦方差结果显示,频率稳定度在136s积分时间达到最优值1.6×10~(-12)。在搭建的NICE-OHMS实验装置基础上,本文提出一种测量高精细度腔精细度的新方法-双频率调制法,有别于腔衰荡(CRDS)技术,该方法是一种连续测量,可以直接得到腔模的有关信息,之后用洛伦兹线型拟合得到腔模半高全宽(FWHM),自由光谱区(FSR)等参数,利用该技术我们测量了实验中的腔体精细度,得到了腔的精细度为2373。这种方法不仅适用高精细度腔,对于精细度下降,腔内衰荡时间可以与探测器响应时间比拟的低精细度腔也同样适用。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O561.3
【部分图文】：

技术,自上而下,实验装置

图 1.1 当前发展的激光吸收光谱技术述了目前已经被公认存在的激光吸收光谱技术，自上而下越高，但其所对应的实验装置系统也越来越复杂。作为当今高，实验装置最为复杂的技术，NICE-OHMS 技术的研究价[16][17]

示意图,激光,示意图,单样

图 2.1 激光穿过吸收物质示意图Beer 定理指出[29]，强度为 I0（W/m2）的一束单色激光，单样品池后，光强衰减为 It（W/m2），I0与 It之间满足如下关0( ) ( ) exp[ ( ) ]t dI I L

气体吸收谱,拟图

图 2.2 气体吸收谱线模拟图吸收线的峰值是 χ(ν0)，半高全宽(FWHM)为 Δν，线随频率的变化关系，χ(νd)在整个频域上的积分是 1，一光谱特征，展宽机制由于测量所处的环境不同而有气体样品测量时候的最大影响因素，实际测量中的光

【参考文献】