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利用腔衰蕩系統(tǒng)探測(cè)CH4在1653.7nm處的吸收峰 - 筱曉光子AOL實(shí)驗(yàn)室⑦

更新時(shí)間:2023-11-28點(diǎn)擊次數(shù):861


利用上一期搭建的腔衰蕩系統(tǒng),我們成功測(cè)量了10ppm的CH4氣體在1653.7nm的吸收峰,同時(shí)通過空腔衰蕩時(shí)間計(jì)算出的腔鏡反射率和腔鏡指標(biāo)符合,進(jìn)一步驗(yàn)證了該腔衰蕩系統(tǒng)的可用性和可靠性。






下圖為筱曉光子的CRDS測(cè)量結(jié)構(gòu):1653 nm的DFB激光二極管由Thorlabs的ITC4005驅(qū)動(dòng),二極管工作溫度控制在40℃,電流37~45mA。將輸出的激光接在AOM上,用于在衰蕩觸發(fā)的時(shí)候關(guān)閉激光輸入,以免影響衰蕩結(jié)果。使用可調(diào)準(zhǔn)直器(CFC8A-C)將經(jīng)過AOM的激光準(zhǔn)直空間輸出,通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器和諧振腔的距離以及準(zhǔn)直器內(nèi)透鏡和光纖的距離,使得激光準(zhǔn)直輸出后的束腰半徑和束腰位置符合理論計(jì)算值。




諧振腔由一對(duì)曲率半徑為1m,反射率>99.99%的高反鏡組成,使用橡膠圈與氣室密封,氣室長度為0.5m。氣室有兩個(gè)輸入口一個(gè)輸出口,可用于控制不同氣體的輸入輸出。PD探測(cè)器用于探測(cè)輸出光信號(hào),并實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞静ㄆ鳌T谑静ㄆ鲀?nèi)設(shè)置trigger out,當(dāng)PD探測(cè)器探測(cè)到電壓信號(hào)達(dá)到設(shè)定閾值后,向AFG輸出一個(gè)trigger信號(hào)。AFG中預(yù)先設(shè)置好一個(gè)反相脈沖信號(hào),一旦被觸發(fā),便會(huì)向AOM Driver輸出0V的電平,持續(xù)100us,然后又恢復(fù)到5V電平,等待下一次觸發(fā)。

在這100us的0V電平控制下,AOM Driver不會(huì)給AOM提供100M射頻信號(hào),AOM會(huì)處于關(guān)閉階段,用示波器記錄這一次衰蕩波形,可以平均100次左右,保存一個(gè)波形,進(jìn)行擬合分析。


下圖是37mA時(shí)(此時(shí)激光波長不在CH4的吸收峰上),腔衰蕩信號(hào)的一次擬合分析,擬合函數(shù)為:y = a*exp(-x/t)+c,參數(shù)t就是擬合的衰蕩時(shí)間。從圖中可以看到,擬合的t為5.864us。由于我們使用的高反鏡是1550nm中心的,在1653.7nm處的反射率達(dá)不到99.99%的指標(biāo),用5.864us的衰蕩時(shí)間可以推出,1550nm高反鏡在1653.7nm的發(fā)射率約為99.97%,符合1550nm高反鏡在1653.7nm的反射率。為了達(dá)到更高的測(cè)量靈敏度,可以更換1650nm中心的高反鏡。不過本次測(cè)量的CH4濃度是10ppm,99.97%已經(jīng)有較為明顯的吸收峰。

以1mA為測(cè)量間隔,從37~45mA逐個(gè)采集衰蕩曲線(事先已經(jīng)用直接吸收法確認(rèn)過,吸收峰在這個(gè)電流范圍內(nèi)),并分別擬合衰蕩時(shí)間,繪制出了CH4的吸收曲線如下,可以看出10ppm的吸收已經(jīng)非常明顯。





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