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利用腔衰蕩系統探測CH4在1653.7nm處的吸收峰 - 筱曉光子AOL實驗室⑦ 2022-11-25

利用上一期搭建的腔衰蕩系統,我們成功測量了10ppm的CH4氣體在1653.7nm的吸收峰,同時通過空腔衰蕩時間計算出的腔鏡反射率和腔鏡指標符合,進一步驗證了該腔衰蕩系統的可用性和可靠性。



微信圖片_20221125131706.jpg



下圖為筱曉光子的CRDS測量結構:1653 nm的DFB激光二極管由Thorlabs的ITC4005驅動,二極管工作溫度控制在40℃,電流37~45mA。將輸出的激光接在AOM上,用于在衰蕩觸發的時候關閉激光輸入,以免影響衰蕩結果。使用可調準直器(CFC8A-C)將經過AOM的激光準直空間輸出,通過調節準直器和諧振腔的距離以及準直器內透鏡和光纖的距離,使得激光準直輸出后的束腰半徑和束腰位置符合理論計算值。


諧振腔由一對曲率半徑為1m,反射率>99.99%的高反鏡組成,使用橡膠圈與氣室密封,氣室長度為0.5m。氣室有兩個輸入口一個輸出口,可用于控制不同氣體的輸入輸出。PD探測器用于探測輸出光信號,并實時傳輸到示波器。在示波器內設置trigger out,當PD探測器探測到電壓信號達到設定閾值后,向AFG輸出一個trigger信號。AFG中預先設置好一個反相脈沖信號,一旦被觸發,便會向AOM Driver輸出0V的電平,持續100us,然后又恢復到5V電平,等待下一次觸發。

在這100us的0V電平控制下,AOM Driver不會給AOM提供100M射頻信號,AOM會處于關閉階段,用示波器記錄這一次衰蕩波形,可以平均100次左右,保存一個波形,進行擬合分析。

微信圖片_20221125131741.png

下圖是37mA時(此時激光波長不在CH4的吸收峰上),腔衰蕩信號的一次擬合分析,擬合函數為:y = a*exp(-x/t)+c,參數t就是擬合的衰蕩時間。從圖中可以看到,擬合的t為5.864us。由于我們使用的高反鏡是1550nm中心的,在1653.7nm處的反射率達不到99.99%的指標,用5.864us的衰蕩時間可以推出,1550nm高反鏡在1653.7nm的發射率約為99.97%,符合1550nm高反鏡在1653.7nm的反射率。為了達到更高的測量靈敏度,可以更換1650nm中心的高反鏡。不過本次測量的CH4濃度是10ppm,99.97%已經有較為明顯的吸收峰。
微信圖片_20221125131810.png

以1mA為測量間隔,從37~45mA逐個采集衰蕩曲線(事先已經用直接吸收法確認過,吸收峰在這個電流范圍內),并分別擬合衰蕩時間,繪制出了CH4的吸收曲線如下,可以看出10ppm的吸收已經非常明顯。

微信圖片_20221125131825.png



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