高反射腔镜双折射效应对腔增强光谱技术的影响

在吸收光谱技术中,使用光学腔增长激光与气体介质的作用路径,可提升探测灵敏度.然而,高反射率腔镜会存在双折射效应,导致光学腔产生两个本征偏振态,入射光在两个偏振方向相移的不同会导致腔模的分裂,会引起腔增强光谱信号以及腔衰荡光谱信号的扭曲.本文观测到了双折射效应下腔增强信号的频率分裂现象,并给出了函数模型,拟合结果表明其可以准确得到透射腔模中不同偏振光的比例.根据上述比例,可给出考虑不同耦合效率、双折射效应下的腔衰荡信号模型,实验结果表明相较于传统e指数模型,本文模型可更精确描述腔衰荡信号,得到拟合残差的标准偏差最大抑制了9倍.该分析有利于改善腔衰荡信号信噪比和不确定性,提升其浓度反演准确度.     

基于NICE-OHMS技术进行大气压气样直接检测的理论分析

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)是目前世界上最灵敏的激光吸收光谱技术,其在低压环境中具有极高的探测灵敏度。然而当测量样品处于大气压时,NICE-OHMS系统的探测灵敏度会大幅下降。主要原因之一是大气压下获取最大NICE-OHMS信号幅度的条件与低气压下不同。通过对大气压NICE-OHMS理论进行分析,分析了影响信号幅度的参数,并通过数值模拟来寻找最佳的实验条件。本文着重讨论影响信号的主要参数包括光学腔腔长L,调制系数β,探测相位θ。其中,由于在NICE-OHMS中使用DeVoe-Brewer技术将调制频率ν_m锁定到Fabry-Parot(FP)腔的自由光谱区(FSR)。因此FP腔的腔长决定了ν_m,同时还作用于信号幅度S■。模拟结果显示,当腔长增大时,由于ν_m随之减小,载波和边带的光谱成分相互重叠部分增大,因此线型函数的幅度逐渐减小。而吸收信号幅度随着腔长的增加而逐渐增加,色散信号幅度先增大后减小,并且在腔长等于8 cm时达到最大值。调制系数β会影响频率调制后激光载波和边带的幅度大小,并且影响信号线型。随着腔长的增加,最大信号幅度对应的β值也随之增加。在相同腔长下,色散信号的最佳β值小于吸收信号,更容易使用电光调制器实现。最后分析了参数的可实现性,分析了不同种类激光器的频率调谐能力,压电陶瓷的扫描宽度等。以乙炔气体为例,大气压下NICE-OHMS的谱线半宽达到~3 GHz,而光谱覆盖范围大于10 GHz。分布反馈式半导体激光器(DFB)与外腔二极管激光器(ECDL)的频率调谐范围可以达到30 GHz以上,但是由于激光线宽宽,得到的PDH锁定性能欠佳。回音壁模式激光器(WGM)和掺饵光纤激光器(EDFL)线宽为百Hz量级,是目前高灵敏NICE-OHMS系统中常用的光源。但是WGM目前可以实现了5 GHz的激光频率调谐范围,而EDFL的外部电压可控制的调谐范围仅为3 GHz。使用精细度为55000的腔进行模拟,调制系数β=1,腔长大于8 cm时,可使用WGM激光器实现,腔长大于25 cm时,可以使用EDFL激光器实现。而对于在设计光学腔中常用的伸缩长度为25μm的PZT,随着腔长的增加,对应的腔模频移范围逐渐减小,在腔长为典型的40 cm时,扫描范围大于12 GHz。     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10~(-12).     

Generation of stable and tunable optical frequency linked to a radio frequency by use of a high finesse cavity and its application in absorption spectroscopy

The laser frequency could be linked to an radio frequency through an external cavity by the combination of Pound-Drever-Hall and Devoe-Brewer locking techniques. A stable and tunable optical frequency at wavelength of 1.5 μm obtained by a cavity with high finesse of 96000 and a fiber laser has been demonstrated, calibrated by a commercial optical frequency comb. The locking performances have been analyzed by in-loop and out-loop noises, indicating that the absolute frequency instability could be down to 50 kHz over 1 s and keep to less than 110 kHz over 2.5 h. Then, the application of this stabilized laser to the direct absorption spectroscopy has been performed. With the help of balanced detection, the detection sensitivity, in terms of optical density, can reach to 9.4×10^-6.