實驗名稱：基于光纖激光器NICE-OHMS技術NH₃濃度的測量

　　研究方向：

　　NICE-OHMS技術最初的目的是為了得到一個高度穩定的頻率參考，結合了FMS與CEAS技術，1996年美國JILA小組的YeJun等人提出腔增強的頻率調制光譜技術。基于高穩定的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(pin)率穩(wen)定度(du)（1s積分(fen)時(shi)(shi)間）。之后，人們發現這(zhe)(zhe)項技術(shu)在(zai)(zai)氣體(ti)(ti)(ti)探測(ce)(ce)方向(xiang)上(shang)同樣具有發展潛力，于是基于不同激光器對(dui)不同氣體(ti)(ti)(ti)分(fen)子吸(xi)收(shou)(shou)的(de)測(ce)(ce)量實(shi)驗開展了。為了獲得(de)完(wan)整的(de)吸(xi)收(shou)(shou)線型(xing)，大量可調(diao)諧激光器測(ce)(ce)量了多普勒展寬(kuan)下的(de)氣體(ti)(ti)(ti)吸(xi)收(shou)(shou)信號(hao)。在(zai)(zai)NICE-OHMS中，為了結合FMS與(yu)CEAS，在(zai)(zai)通過PDH技術(shu)將(jiang)激光載頻(pin)鎖定到高精(jing)細度(du)腔TEM00模(mo)的(de)同時(shi)(shi)，需要通過DVB技術(shu)將(jiang)FMS中的(de)調(diao)制頻(pin)率鎖定到高精(jing)細度(du)腔的(de)自由光譜區上(shang)，由于FMS中的(de)載波和邊帶同時(shi)(shi)受(shou)到PDH鎖定中頻(pin)率-噪(zao)聲的(de)影響，它們的(de)拍頻(pin)信號(hao)會將(jiang)這(zhe)(zhe)部分(fen)干擾抵(di)消掉(diao)，所(suo)以(yi)NICE-OHMS技術(shu)對(dui)該類噪(zao)聲免疫(yi)，而這(zhe)(zhe)個噪(zao)聲是限制CEAS探測(ce)(ce)靈敏度(du)的(de)主要因(yin)(yin)素。這(zhe)(zhe)些因(yin)(yin)素使得(de)NICE-OHMS技術(shu)成(cheng)為世界上(shang)靈敏度(du)最高的(de)痕(hen)量氣體(ti)(ti)(ti)檢測(ce)(ce)技術(shu)之一，同時(shi)(shi)也是高效的(de)激光頻(pin)率穩(wen)定技術(shu)。

　　測試設備：高壓放大器、函(han)數發(fa)生器、光(guang)纖(xian)激光(guang)器、光(guang)纖(xian)聲光(guang)調(diao)制器、低通濾波器等。

　　實驗過程：

　　圖1：NICE-OHMS實驗裝(zhuang)置圖

　　FL，光(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)；f-AOM，光(guang)(guang)纖(xian)聲光(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)(qi)(qi)；f-AOM，光(guang)(guang)纖(xian)電光(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)(qi)(qi)；OI，空(kong)間光(guang)(guang)單通(tong)隔離器(qi)(qi)(qi)；MML，模式匹配透鏡(jing)；λ/2，二分之一波片(pian)；λ/4，四分之一波片(pian)；PBS，偏振分束(shu)棱鏡(jing)；Len，聚焦(jiao)透鏡(jing)；PD，光(guang)(guang)電探測(ce)器(qi)(qi)(qi)；PID，比例積(ji)分微(wei)分控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)；HVA，高壓放大器(qi)(qi)(qi)；LP，低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)(qi)；DBM，雙平(ping)衡混(hun)頻(pin)器(qi)(qi)(qi)；FG，函數發生器(qi)(qi)(qi)；φ，移相器(qi)(qi)(qi)；PID，比例積(ji)分微(wei)分控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)

　　實驗裝置(zhi)如圖1所示，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路部分(fen)(fen)：光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)（FL）產生的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)經(jing)(jing)過(guo)(guo)(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖耦合(he)的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)（f-AOM），f-AOM+1級的(de)(de)(de)(de)衍射(she)(she)(she)使激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)頻(pin)移110MHz，頻(pin)移的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)經(jing)(jing)過(guo)(guo)(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖耦合(he)的(de)(de)(de)(de)電(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)（f-EOM），該電(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)是(shi)波導型電(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)，只允許沿e軸偏振(zhen)(zhen)(zhen)的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)過(guo)(guo)(guo)，避(bi)免(mian)了殘余幅度調制(zhi)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)，通(tong)過(guo)(guo)(guo)f-EOM的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)由光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖準直(zhi)器(qi)對(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束整(zheng)形后(hou)輸出(chu)到(dao)自由空間。出(chu)射(she)(she)(she)的(de)(de)(de)(de)空間光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)先經(jing)(jing)過(guo)(guo)(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)隔離器(qi)（OI），這是(shi)為了避(bi)免(mian)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)元件(jian)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)反(fan)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)進入(ru)到(dao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖中(zhong)(zhong)對(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖器(qi)件(jian)損壞，之(zhi)后(hou)由匹配透鏡(jing)（MML）對(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑半(ban)徑和(he)曲率半(ban)徑變換(huan)后(hou)通(tong)過(guo)(guo)(guo)二分(fen)(fen)之(zhi)一波片（λ/2），λ/2將激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)偏振(zhen)(zhen)(zhen)方向(xiang)(xiang)(xiang)調整(zheng)為與(yu)偏振(zhen)(zhen)(zhen)分(fen)(fen)束棱鏡(jing)（PBS）透射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)偏振(zhen)(zhen)(zhen)方向(xiang)(xiang)(xiang)一致，透射(she)(she)(she)過(guo)(guo)(guo)PBS的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)經(jing)(jing)過(guo)(guo)(guo)四分(fen)(fen)之(zhi)一波片（λ/4）耦合(he)進入(ru)高精細度腔。腔的(de)(de)(de)(de)反(fan)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)再(zai)次(ci)(ci)通(tong)過(guo)(guo)(guo)λ/4，兩次(ci)(ci)經(jing)(jing)過(guo)(guo)(guo)λ/4的(de)(de)(de)(de)結果(guo)是(shi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)偏振(zhen)(zhen)(zhen)方向(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)透射(she)(she)(she)過(guo)(guo)(guo)PBS光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)偏振(zhen)(zhen)(zhen)方向(xiang)(xiang)(xiang)垂直(zhi)，從而由PBS反(fan)射(she)(she)(she)由透鏡(jing)1（len1）聚(ju)焦后(hou)進入(ru)探測(ce)器(qi)1（PD1），用于PDH和(he)DVB的(de)(de)(de)(de)鎖定。腔的(de)(de)(de)(de)透射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)經(jing)(jing)透鏡(jing)2（len2）會聚(ju)后(hou)進入(ru)探測(ce)器(qi)2（PD2）探測(ce)，用于NICE-OHMS信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)獲得。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路中(zhong)(zhong)盡量(liang)傾斜光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)平面，按(an)照Etalon免(mian)疫距離（EID）的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)擺放，避(bi)免(mian)產生Etalon噪聲(sheng)影(ying)響(xiang)(xiang)最終信(xin)號(hao)。

　　電路部分(fen)：解調(diao)透(tou)射(she)光(guang)以獲(huo)得NICE-OHMS信(xin)號(hao)的(de)(de)射(she)頻(pin)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)νfsr=380MHz由(you)信(xin)號(hao)發生(sheng)器(qi)(qi)(qi)1（FG1）直(zhi)接產(chan)(chan)生(sheng)，信(xin)號(hao)發生(sheng)器(qi)(qi)(qi)2（FG2）產(chan)(chan)生(sheng)νdvb=355MHz，兩者的(de)(de)拍(pai)頻(pin)結果(guo)通(tong)過(guo)(guo)一個(ge)35MHz低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)(qi)（LP1）獲(huo)得νPDH=25MHz。νfsr和(he)νPDH同(tong)時加在f-EOM上(shang)(shang)對激光(guang)進行調(diao)制(zhi)，調(diao)制(zhi)系數分(fen)別(bie)對應0.8和(he)0.19。PD1探測的(de)(de)交流信(xin)號(hao)分(fen)成兩束，分(fen)別(bie)用(yong)(yong)于PDH鎖(suo)(suo)定(ding)與(yu)DVB鎖(suo)(suo)定(ding)。與(yu)νPDH混頻(pin)的(de)(de)結果(guo)經(jing)過(guo)(guo)低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)(qi)2（LP2）送入比例積分(fen)微分(fen)控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)1和(he)2（PID1和(he)PID2，自制(zhi)），PID1輸(shu)出信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)(guo)高壓(ya)放大(da)器(qi)(qi)(qi)放大(da)（HVA）加載到(dao)(dao)激光(guang)器(qi)(qi)(qi)上(shang)(shang)，PID2輸(shu)出信(xin)號(hao)直(zhi)接給到(dao)(dao)f-AOM上(shang)(shang)，兩者搭配(pei)實現帶(dai)寬(kuan)為100kHz的(de)(de)PDH鎖(suo)(suo)定(ding)。與(yu)νdvb混頻(pin)的(de)(de)結果(guo)，經(jing)過(guo)(guo)低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)(qi)3（LP3）由(you)比例微分(fen)積分(fen)控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)3（PID3）反饋(kui)到(dao)(dao)FG1的(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)控制(zhi)端口，用(yong)(yong)于實現帶(dai)寬(kuan)100kHz的(de)(de)DVB的(de)(de)鎖(suo)(suo)定(ding)。鎖(suo)(suo)定(ding)后(hou)的(de)(de)激光(guang)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)與(yu)腔(qiang)模頻(pin)率(lv)(lv)(lv)一致，掃(sao)描F-P腔(qiang)上(shang)(shang)壓(ya)電陶瓷長度改變(bian)腔(qiang)模頻(pin)率(lv)(lv)(lv)進而改變(bian)激光(guang)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)，當激光(guang)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)掃(sao)過(guo)(guo)目標吸(xi)收(shou)物的(de)(de)分(fen)子躍遷線，透(tou)射(she)出腔(qiang)體(ti)的(de)(de)激光(guang)被探測器(qi)(qi)(qi)2接收(shou)，探測器(qi)(qi)(qi)2輸(shu)出的(de)(de)交流信(xin)號(hao)與(yu)νfsr混頻(pin)，然后(hou)經(jing)過(guo)(guo)低通(tong)濾(lv)波器(qi)(qi)(qi)4（LP4），得到(dao)(dao)NICE-OHMS信(xin)號(hao)。

　　實驗結果：

　　圖2：基于NICE-OHMS系(xi)統測量的氣體吸(xi)收(shou)信(xin)號(hao)(hao)；(a)CEAS信(xin)號(hao)(hao)；(b)吸(xi)收(shou)相位的NICE-OHMS信(xin)號(hao)(hao)；(c)色散相位的NICE-OHMS信(xin)號(hao)(hao)

　　圖2所示的是腔內氣壓保持70mTorr時候得到的系統信號，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是1530.58nm，對應NH₃在6533.4515cm-1位置吸收線，由HITRIN數據庫知躍遷線強度為4.436×10-22（cm^-1/molecule/cm^-2），可以知對應的探測靈敏度為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

　　本資(zi)料由Aigtek安(an)泰(tai)電(dian)子(zi)(zi)整理發布，更多(duo)案例(li)及產品(pin)詳情請(qing)持續關注我們。西安(an)安(an)泰(tai)電(dian)子(zi)(zi)Aigtek已經(jing)成為在業界擁有(you)廣泛產品(pin)線，且具有(you)相當規模的儀器設(she)備供應商(shang)，樣(yang)機都支持免費(fei)試(shi)用。如想了解(jie)更多(duo)功(gong)率(lv)放大器等產品(pin)，請(qing)持續關注安(an)泰(tai)電(dian)子(zi)(zi)官(guan)網hkdyw.cn或(huo)撥打029-88865020。