實驗名稱(cheng)：氣體拉曼光譜檢(jian)測裝置的(de)設計與搭(da)建

　　測試目的：開(kai)展氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)拉(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜檢測技術(shu)的研究，并設計基(ji)(ji)(ji)于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學反饋腔(qiang)(qiang)增(zeng)強技術(shu)的氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)拉(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜檢測裝置(zhi)(zhi)。裝置(zhi)(zhi)采用(yong)可(ke)見光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)二極管(guan)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器作為基(ji)(ji)(ji)礎光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源，高精(jing)細度(du)V型(xing)三鏡腔(qiang)(qiang)作為氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)池，通過(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀狹縫導(dao)入氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)的拉(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜信號，設置(zhi)(zhi)計算機(ji)端軟件(jian)參數，控(kong)制光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜儀與CCD相(xiang)機(ji)對(dui)信號進行(xing)實(shi)時觀測采集(ji)。本章介(jie)紹基(ji)(ji)(ji)于(yu)V型(xing)三鏡腔(qiang)(qiang)的光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學反饋腔(qiang)(qiang)增(zeng)強氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)拉(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜檢測裝置(zhi)(zhi)的總體(ti)結(jie)構以及實(shi)驗環境要求，該裝置(zhi)(zhi)可(ke)劃(hua)分(fen)為三個(ge)關鍵部(bu)分(fen)，分(fen)別是激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)控(kong)制模塊(kuai)、氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)池、外部(bu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)，裝置(zhi)(zhi)結(jie)合(he)波長調制法實(shi)現激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)頻率(lv)鎖定，保證氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)池內(nei)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功率(lv)足夠高，在氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)池的側面對(dui)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)拉(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜信號進行(xing)收集(ji)探測。

　　測試設備(bei)：高壓(ya)放大器、函數發生器、激(ji)光控制器、探(tan)測器等。

　　實驗過程：

　　激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)控制(zhi)(zhi)模(mo)塊：該部分的(de)(de)作用一是(shi)通(tong)過激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)控制(zhi)(zhi)器(qi)控制(zhi)(zhi)二極(ji)管激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)溫度和電流，使激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)工作在(zai)合(he)適(shi)的(de)(de)條件下產生(sheng)功率較(jiao)高(gao)、頻率噪聲較(jiao)小的(de)(de)單模(mo)穩定運轉激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)。二是(shi)通(tong)過函數(shu)發生(sheng)器(qi)輸(shu)出低(di)頻掃(sao)描(miao)(miao)信號，以及對激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)輸(shu)出電流進行掃(sao)描(miao)(miao)；三是(shi)鎖(suo)相放大器(qi)的(de)(de)高(gao)頻調制(zhi)(zhi)信號與函數(shu)發生(sheng)器(qi)的(de)(de)低(di)頻掃(sao)描(miao)(miao)信號輸(shu)入(ru)到加(jia)法器(qi)疊加(jia)后，再輸(shu)入(ru)到激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)控制(zhi)(zhi)器(qi)掃(sao)描(miao)(miao)和調制(zhi)(zhi)電流，控制(zhi)(zhi)激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)最終輸(shu)出。

　　氣(qi)體池：該部分(fen)的作(zuo)用(yong)一是作(zuo)為(wei)氣(qi)體樣(yang)品池，通過進(jin)氣(qi)口(kou)(kou)與(yu)抽氣(qi)口(kou)(kou)控制腔(qiang)(qiang)體內部的氣(qi)體狀態。氣(qi)體池由V型(xing)三鏡腔(qiang)(qiang)構成，包括殷(yin)鋼(gang)腔(qiang)(qiang)體、兩(liang)片(pian)平凹腔(qiang)(qiang)鏡、一片(pian)平平腔(qiang)(qiang)鏡、兩(liang)片(pian)寬帶高透(tou)射率窗(chuang)片(pian)、進(jin)氣(qi)口(kou)(kou)、出氣(qi)口(kou)(kou)、氣(qi)壓(ya)計接口(kou)(kou)。

　　外部光(guang)路：該部分(fen)的(de)(de)作用是將二極管(guan)激(ji)光(guang)器(qi)的(de)(de)輸出(chu)光(guang)經過準直、整形，使用刀口法測量光(guang)束質量，再進行模式匹配(pei)，使得(de)輸出(chu)光(guang)可耦合(he)到由V型三鏡腔(qiang)組成的(de)(de)氣體(ti)池(chi)中(zhong)，并且當腔(qiang)的(de)(de)透射光(guang)反饋注入激(ji)光(guang)器(qi)時，分(fen)別對光(guang)學反饋過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)反饋率和反饋相位進行控制。

　　圖1：鎖頻模(mo)塊結(jie)構組成

　　光學(xue)反(fan)饋注入鎖(suo)定：本文選擇波(bo)長調(diao)制法進行激光頻(pin)(pin)率(lv)的(de)鎖(suo)定，結(jie)構設(she)計如(ru)圖1所示，包括鎖(suo)相(xiang)(xiang)放(fang)(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)、PID、高壓(ya)放(fang)(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)和壓(ya)電陶瓷PZT。實驗設(she)置(zhi)鎖(suo)相(xiang)(xiang)放(fang)(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)輸(shu)出(chu)頻(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)20kHz，幅度為(wei)(wei)0.026V，相(xiang)(xiang)位(wei)為(wei)(wei)180°的(de)高頻(pin)(pin)正弦調(diao)制信(xin)號(hao)，輸(shu)送(song)(song)到加(jia)(jia)法器(qi)(qi)(qi)(qi)與(yu)函數(shu)發生器(qi)(qi)(qi)(qi)輸(shu)出(chu)的(de)低頻(pin)(pin)掃描(miao)信(xin)號(hao)相(xiang)(xiang)疊加(jia)(jia)，用于調(diao)制激光器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)輸(shu)出(chu)，再(zai)與(yu)V型三鏡腔(qiang)(qiang)腔(qiang)(qiang)模(mo)(mo)信(xin)號(hao)混頻(pin)(pin)解(jie)調(diao)產(chan)生誤差(cha)信(xin)號(hao)。如(ru)圖2所示為(wei)(wei)激光鎖(suo)頻(pin)(pin)前腔(qiang)(qiang)模(mo)(mo)信(xin)號(hao)與(yu)誤差(cha)信(xin)號(hao)，可以看出(chu)誤差(cha)信(xin)號(hao)存在過零(ling)點(dian)且(qie)斜率(lv)為(wei)(wei)負，零(ling)點(dian)對應(ying)腔(qiang)(qiang)模(mo)(mo)信(xin)號(hao)的(de)最大(da)值。誤差(cha)信(xin)號(hao)輸(shu)送(song)(song)至PID模(mo)(mo)塊，產(chan)生的(de)控(kong)制信(xin)號(hao)連接(jie)到與(yu)高壓(ya)放(fang)(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)，高壓(ya)放(fang)(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)輸(shu)出(chu)再(zai)與(yu)高反(fan)鏡后粘貼的(de)壓(ya)電陶瓷PZT連接(jie)。實驗中通過高壓(ya)放(fang)(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)細調(diao)控(kong)制壓(ya)電陶瓷PZT的(de)伸縮(suo)使得(de)反(fan)饋相(xiang)(xiang)位(wei)最佳(jia)(jia)，外部(bu)光路精確保(bao)持(chi)為(wei)(wei)腔(qiang)(qiang)單臂的(de)三倍，腔(qiang)(qiang)模(mo)(mo)信(xin)號(hao)呈(cheng)左右對稱(cheng)圓(yuan)拱(gong)狀。鎖(suo)定前先關掉掃描(miao)信(xin)號(hao)，腔(qiang)(qiang)內激光保(bao)持(chi)無規律振蕩，設(she)置(zhi)PID中P為(wei)(wei)8，I為(wei)(wei)10的(de)3次方(fang)，D為(wei)(wei)0，此時誤差(cha)信(xin)號(hao)的(de)斜坡消除，反(fan)饋相(xiang)(xiang)位(wei)鎖(suo)定到最佳(jia)(jia)點(dian)。

　　圖2：激光鎖頻前的腔模(mo)信號與(yu)誤差信號

　　拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)側(ce)向收(shou)(shou)集光(guang)(guang)(guang)路：基于(yu)側(ce)向收(shou)(shou)集方式設計并搭建(jian)拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)側(ce)向收(shou)(shou)集光(guang)(guang)(guang)路，包(bao)括凹面鏡、聚焦透鏡、陷波濾(lv)波片、光(guang)(guang)(guang)譜儀(yi)、CCD相機以(yi)及計算機。

　　圖3：拉(la)曼光側向收(shou)集光路結構

　　實驗結果：

　　本章(zhang)重點討論(lun)了基(ji)于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學反(fan)饋腔(qiang)增(zeng)強的(de)氣體拉曼(man)(man)(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜檢測技術，基(ji)于(yu)該技術搭建了V型三鏡腔(qiang)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學反(fan)饋腔(qiang)增(zeng)強實驗(yan)裝置。裝置需保(bao)持在恒溫(wen)(wen)、隔震、無光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)實驗(yan)環境中(zhong)，裝置包括三個關鍵部(bu)分，其(qi)中(zhong)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)控制(zhi)(zhi)模塊控制(zhi)(zhi)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)溫(wen)(wen)度(du)(du)并掃描調制(zhi)(zhi)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電流，產(chan)(chan)生(sheng)模式穩定的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，氣體池(chi)讓(rang)進入腔(qiang)內(nei)的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)共振干(gan)涉增(zeng)強，并與(yu)腔(qiang)內(nei)待(dai)測氣體介質相互作用，產(chan)(chan)生(sheng)氣體拉曼(man)(man)(man)散射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，外(wai)部(bu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)對二極管(guan)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)輸出光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)進行準(zhun)直、整(zheng)形、模式匹配(pei)后(hou)，并耦合(he)到氣體池(chi)中(zhong)，同時氣體池(chi)的(de)透(tou)射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)沿原路(lu)反(fan)饋注入激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)，改善(shan)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)輸出性能。基(ji)于(yu)波長調制(zhi)(zhi)法將腔(qiang)內(nei)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)鎖定到腔(qiang)模頂點，保(bao)證腔(qiang)內(nei)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)始終處于(yu)最(zui)大值，提高腔(qiang)內(nei)拉曼(man)(man)(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜信號的(de)強度(du)(du)。拉曼(man)(man)(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)側向收集光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)用于(yu)收集并分析氣體池(chi)內(nei)部(bu)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)拉曼(man)(man)(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜信號。

　　電壓(ya)放大器推薦：ATA-7020

　　圖：ATA-7020高壓放大器指標參數

　　本資料由Aigtek安(an)泰電(dian)子(zi)整理發布，更多案例及產品(pin)詳情請持續關注我們。西(xi)安(an)安(an)泰電(dian)子(zi)Aigtek已經成(cheng)為在(zai)業界擁有廣泛產品(pin)線(xian)，且具有相當規(gui)模的儀器(qi)設(she)備供應商(shang)，樣(yang)機(ji)都支持免費(fei)試用。如想了解更多功率放大器(qi)等(deng)產品(pin)，請持續關注安(an)泰電(dian)子(zi)官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。