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光学精密工程 2021年第5期29卷 933-939页

作者：许非周晓彬刘政波赵刚马维光山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

腔增强吸收光谱技术(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)利用激光在腔镜之间的多次反射,增长光与气体介质的作用路径,从而提升探测灵敏度.CEAS的主要噪声来源于激光-腔耦合效率的低下和腔模幅度的起伏.光学反馈腔增强吸收... 详细信息

腔增强吸收光谱技术(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)利用激光在腔镜之间的多次反射,增长光与气体介质的作用路径,从而提升探测灵敏度.CEAS的主要噪声来源于激光-腔耦合效率的低下和腔模幅度的起伏.光学反馈腔增强吸收光谱技术(Of-CEAS)基于光学反馈(Optical feedback,Of)效应,将激光频率锁定到腔模频率上,提高了激光-腔的耦合效率.为了避免光学腔直接反射光引起光学反馈,传统的Of-CEAS大都采用三镜V型谐振腔.然而,实验发现当反馈相位控制恰当时,光学腔直接反射光并不会影响光学反馈,激光可以锁定到光学腔的谐振光上.因此,提出了基于线性f-p腔的Of-CEAS.利用透射腔模的对称性计算得到反馈相位控制的误差信号,实现了激光频率到连续101个腔模频率的锁定.最后对32×10-6的甲烷标气进行检测,获得Of-CEAS吸收信号,评估得到的探测灵敏度可达0.54×10-6(1σ).

关键词：激光光谱腔增强吸收光谱技术分布反馈式半导体激光器光学反馈线性f-p腔

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近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术研究

近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术研究

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作者：许非山西大学

学位级别：硕士

激光技术自诞生以来便以其稳定性高、单色性好、相干性强等特点得到了迅速的发展。其中基于电场与气相原子、分子相互作用的激光吸收光谱技术(LAS),现已被广泛应用于极地探测、青藏高原科考、大型风洞实验等基础科学研究领域以及医疗病... 详细信息

激光技术自诞生以来便以其稳定性高、单色性好、相干性强等特点得到了迅速的发展。其中基于电场与气相原子、分子相互作用的激光吸收光谱技术(LAS),现已被广泛应用于极地探测、青藏高原科考、大型风洞实验等基础科学研究领域以及医疗病理诊断、工业过程监测、环境污染检测等应用领域。近30年来,激光吸收光谱技术以其高选择性、高灵敏度、实时检测等优点,被认为是新一代痕量气体检测的首要发展技术。其中应用最广泛的LAS技术当属可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),探测灵敏度通常在10到10cm/Hz之间,但其远不能满足一些领域的需求。因此为了进一步提升灵敏度,人们发展了腔增强吸收光谱(CEAS)技术,其基于由高反镜组成的光学谐振腔,当激光耦合进入谐振腔后,光会在腔镜之间来回反射,从而增长光与气体介质作用长度,等效光程可以达到数千米,从而大大增强了吸收信号。然而随着腔镜反射率的提高,腔模线宽变的非常窄,一般的数据采集很难准确的捕捉到腔模的幅度;此外半导体激光器线宽较宽,相对于线宽很窄的腔纵模,在特定时刻只有少部分激光频率成分可以与光学腔达到共振,因此腔模幅度较低。由于以上两个原因,直接CEAS不仅探测噪声大而且难以实现吸收光谱的高灵敏度测量。为了解决以上问题,光学反馈腔增强吸收光谱技术(Of-CEAS)应运而生。Of-CEAS基于光学反馈效应,腔内的共振光场通过腔前镜透射出来,原路返回注入半导体激光器,在合适的反馈率及反馈相位条件下,激光频率将锁定到光学腔模频率上,大大抑制激光器的频率噪声,显著增强激光到腔的耦合效率,因此观测到的光学腔透射信号幅度增大且稳定。为了避免光学腔直接反射光引起光学反馈,传统的Of-CEAS大都采用三镜V型谐振腔或者采用模式错配的方式利用小孔光阑分离非谐振反射光和谐振反馈光从而实现光学反馈效应。然而,通过实验验证,发现当反馈相位控制恰当时,光学腔直接反射光并不会影响光学反馈,激光可以锁定到光学腔的谐振光上。因此,我们提出了基于线性f-p腔的Of-CEAS,并且设计了一套精确控制光学反馈相位的动态伺服回路,利用透射腔模的对称性计算得到反馈相位控制的误差信号,实现了激光频率到连续101个腔模频率的锁定。最后对32 ppm的甲烷标气进行检测,获得Of-CEAS吸收信号,评估得到探测灵敏度可达0.54 ppm(1σ)。

关键词：光学反馈线性f-p腔腔增强吸收光谱技术 DfB-DL激光器

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