连续和准连续调制激光吸收光谱的软件锁相解调比较研究

根据对激光器施加的调制信号是否连续,波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。为了深入的比较研究这两种方案,设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器,将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后,再对吸收信号解调得到二次谐波信号。与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较,结果表明,参数相同,准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、检测限降低11.3%。在滤除无效信号后,准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号,因此有望用于与气体线型相关的研究中。该工作为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了准确依据。     

准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调,设计了一种专用的准连续软件锁相放大器,对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理,实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统,对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验,结果表明,使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题,具有小的信号波形失真。     

准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O2浓度的研究

在开采煤矿的生产活动中,遇到煤矿爆炸或地震、地质等自然灾害,会导致坍塌、掩埋、堆积等情形,进而形成复杂的封闭环境。如果发生人员被困等突发情况,破灾救援、挽救生命工作显得至关重要。封闭环境中O₂的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全,及时掌握被困人员所处环境的O₂浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。为准确测量O₂的浓度,以封闭室内O₂为研究对象,综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术,设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O₂浓度系统,对24 h封闭室内O₂的浓度随时间变化情况进行测量研究。实验结果表明,封闭室内O₂的浓度受到室内人员活动的影响,准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。     

连续和准连续激光调制谱分析技术的比对研究

为了在面对不同检测需求时,能够选取适合的调谐激光吸收光谱技术方案,对直接吸收光谱、连续调制谱和准连续调制谱三种方法进行了理论分析和实验比较。在相同实验条件下,通过同一激光器测量不同浓度CO2气体,比较了这三种方法的技术特点、信号特征、检测灵敏度。结果表明,准连续调制谱技术具有与连续调制谱相当的检测灵敏度,但是受激光能量间断和较大的寄生幅度调制影响,检测信号相对于气体吸收谱的线形失真较大,因此不太适合依赖光谱线形和线宽的压力、流速测量。为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了参考依据。     

碘吸收激光稳频中调制信号的理论计算

激光频率标准是将激光频率锁定于原子或分子的超精细能级间的跃迁频率,从而获得高精密度的激光频率输出。在激光稳频研究工作中,通常将碘分子的吸收谱线采用导数谱、FM光谱和调制转移光谱MTS(ModulationTransferSpectroscopy)进行频率的精密控制。为更好地消除吸收谱线的本底噪声,目前最好的稳频方案是采用调制转移光谱法。它具有高灵敏度、高分辨率和无多普勒背景等特点。从物理学的原理出发,分析了激光对介质的极化机理,导出介质对激光的吸收和色散作用的数学模型,用信号处理的技术从理论上推导了MTS谱线线型,分析了光谱线型的特性,讨论了提高激光频率稳定度的各种情况。     

具有波纹调制激光光束的准聚焦特性

采用光波的衍射积分理论,对具有波纹调制激光束的准聚焦特性进行了理论分析。针对中频率段畸变激光束的准聚焦特性,数值模拟研究了准聚焦光斑能量集中度、焦斑光强分布与光束波前调制周期和离焦距离的关系,并得出适当离焦距离有利于控制焦斑大小,增大激光束波前的调制周期,可增加准聚焦光斑能量集中度,降低焦斑光强的调制起伏。     

采用铷原子射频频率调制光谱与调制转移光谱对1560nm激光经波导倍频至780nm进行稳频的比较

采用射频频率调制光谱(RF-FMS)和调制转移光谱(MTS)将1560nm分布反馈激光器经MgO:PPLN波导高效倍频后锁定于87 Rb原子D2线超精细跃迁。比较了两种方法的原理、谱线以及锁频结果。激光器自由运转30min的典型频率起伏为8~10MHz,采用RF-FMS和MTS锁频30min的频率起伏均方根分别为±135kHz和±85kHz,这主要是由于后者的信噪比高,谱线完全无背景。采用MTS方案,搭建了一套结构紧凑、性能稳定的1.5μm光纤通信波段激光稳频系统。     

可调谐半导体激光吸收光谱技术的调制参量影响及优化选择

为获得较好的谐波信号,完成不同测量目的,以DFB-760.77nm波长处氧气监测为例,通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值,讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明:Sinmulink模拟值和实验值相关性较高,当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.     

声光偏频亚多普勒光谱无调制激光频率锁定

将激光器锁定到合适的参考频率标准上 ,可以有效地改善激光器的频率稳定性。采用两个声光调制器(AOM) ,使铯原子D2 线饱和吸收光谱分别发生Ω±Δ绝对频移 ;通过改变射频压控振荡器 (RFVCO)的Vf 端口直流电压调节相对频移间隔Δ ,当相对频率间隔选择合适时两信号相减得到了类色散型鉴频曲线。实验中实现了85 2nm光栅外腔半导体激光器相对于铯原子D2 线6S1/2 F =4 6P3 /2 F′ =5超精细跃迁线 (中心频率ν0 )的无调制偏频锁定 (锁定后中心频率ν0 +Ω ,偏频量为Ω)。由闭环锁定后的误差信号估计 ,5 0s内典型的频率起伏小于± 2 70kHz ,较相同时间段内激光器自由运转时的频率起伏 14MHz有显著的改善。该方法可避免对激光器直接进行频率调制的常规饱和吸收锁频方案所引入的额外频率噪声和强度噪声。     

Self-calibration wavelength modulation spectroscopy for acetylene detection based on tunable diode laser absorption spectroscopy

The expressions of the second harmonic(2f) signal are derived on the basis of absorption spectral and lock-in theories.A parametric study indicates that the phase shift between the intensity and wavelength modulation makes a great contribution to the 2f signal.A self-calibration wavelength modulation spectroscopy(WMS) method based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TOLAS) is applied,combining the advantages of ambient pressure,temperature suppression,and phase-shift influences elimination.Species concentration is retrieved simultaneously from selected 2f signal pairs of measured and reference WMS-2f spectra.The absorption line of acetylene(C_2H_2) at 1530.36 nm near-infrared is selected to detect C_2H_2 concentrations in the range of 0-400 ppmv.System sensitivity,detection precision and limit are markedly improved,demonstrating that the self-calibration method has better detecting performance than the conventional WMS.     

高灵敏度激光吸收光谱中的微弱信号处理

可调谐二极管激光频率调制吸收光谱（FM-TDLAS）技术是一种高灵敏度的痕量气体检测方法。为改善以CH₄为目标气体检测系统的信噪比,提高系统的检测灵敏度,以双平衡混频器（double balanced mixer）为核心,设计了一套用于提取被噪声淹没的微弱信号的调制解调高频相敏探测器。在对高频相敏探测器进行具体设计和分析的基础上, 结合实验,利用CH₄气体在1653nm附近的近红外吸收光谱,对整体电路的性能进行了测试,获得了具有较高信噪比的二次和一次谐波信号,检测灵敏度可达10×10^-6。     

频率调制强吸收光谱中残余幅度调制的理论分析

由电光调制器(EOM)中双折射效应及线偏光不完全沿EOM调制方向诱发的残余幅度调制(RAM)使频率调制(FM)光谱技术在微量气体检测中的应用受到极大的限制。基于光场与晶体相互作用及光学干涉原理推导出存在RAM时FM光谱的线型表达式,确定出输入线偏光角度、EOM中双折射效应、FM系数等是影响线型的主要因素,且当入射EOM光的偏振角度偏离调制方向越大,双折射效应引起的特征偏振方向相位差越大,线型扭曲越严重;同时在FM色散光谱中存在一个受两者影响的直流偏置;最后给出通过伺服控制这两过程可以达到抑制RAM的目的。这些现象及线型的分析将为基于光纤器件的FM光谱提供必要的理论支持。     

Influence of laser intensity in second-harmonic detection with tunable diode laser multi-pass absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been widely employed in atmospheric trace gases detection. The ratio of the second-harmonic signal to the intensity of laser beam incident to the multi-pass cell is proved to be proportional to the product of the path length and the gas concentration under any condition. A new calibration method based on this relation in TDLAS system for the measurement of trace gas concentration is proposed for the first time. The detection limit and the sensitivity of the system are below 110 and 31ppbv （parts-per-billion in volume）, respectively.     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

Frequency stabilization of a 399-nm laser by modulation transfer spectroscopy in an ytterbium hollow cathode lamp

The modulation transfer spectroscopy in an ytterbium hollow cathode lamp at 399 nm is measured. The error signal for frequency locking is optimized by measuring the dependences of its slope, linewidth and magnitude on various parameters. Under the optimum condition, the laser frequency at 399 nm can be stabilized. The long-term stability of laser frequency is measured by monitoring the fluorescence signal of the ytterbium atomic beam induced by the locked laser. The laser frequency is shown to be tightly locked, and the stabilized laser is successfully applied to the cooling of ytterbium atoms.     

A 532 nm molecular iodine optical frequency standard based on modulation transfer spectroscopy

We report construction of an iodine-stabilized laser frequency standard at 532 nm based on modulation transfer spectroscopy(MTS) technology with good reproducibility. A frequency stability of 2.5 × 10~(-14) at 1 s averaging time is achieved,and the frequency reproducibility has a relative uncertainty of 3.5×10~(-13), demonstrating the great stability of our setup.The systematic uncertainty of the iodine-stabilized laser frequency standard is evaluated, especially the contribution of the residual amplitude modulation(RAM). The contribution of the RAM in MTS cannot be evaluated directly. To solve this problem, we theoretically deduce the MTS signal with RAM under large modulation depth, and prove that the nonsymmetric shape of the MTS signal is directly related to the MTS effect. The non-symmetric shape factor r can be calibrated with a frequency comb, and in real experiments, this r value can be obtained by least-squares fitting of the MTS signal,from which we can infer the RAMinduced frequency shift. The full frequency uncertainty is evaluated to be 5.3 k Hz(corresponding to a relative frequency uncertainty of 9.4×10~(-12)). The corrected transition frequency has a difference from the BIPM-recommended value of 2 k Hz, which is within 1σ uncertainty, proving the validity of our evaluation.     

调制转移光谱光频率标准系统中电光参数的优化研究

根据窄带相位调制光在非线性吸收介质中的近简并四波混频的物理机理,分析了采用电光调制器实现调制转移光谱(MTS)技术的电磁场激励及其动态演化过程,建立了MTS中频率色散谱和吸收谱的理论模型. 研究结果表明:以分子吸收谱线色散谱信号作为频率误差鉴别信号时,系统调制频率取0.72倍谱线线宽附近可以得到最佳的色散信号强度;解调相位的变化对吸收谱的影响很大,但对色散谱而言,解调相位在90°附近的小范围波动对频率误差信号解调效果影响不大;调制度在0.5–1区域可以得到较好的综合稳频效果. 关键词： 光频率标准 调制转移光谱 频率稳定 电光参数优化