利用腔衰蕩系統(tǒng)探測CH4在1653.7nm處的吸收峰 - 筱曉光子AOL實(shí)驗(yàn)室⑦

更新時間：2023-11-28

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利用上一期搭建的腔衰蕩系統(tǒng)，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(jì)算出的腔鏡反射率和腔鏡指標(biāo)符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該腔衰蕩系統(tǒng)的可用性和可靠性。

下圖為筱曉光子的CRDS測量結(jié)構(gòu)：1653 nm的DFB激光二極管由Thorlabs的ITC4005驅(qū)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(fā)的時候關(guān)閉激光輸入，以免影響衰蕩結(jié)果。使用可調(diào)準(zhǔn)直器（CFC8A-C）將經(jīng)過AOM的激光準(zhǔn)直空間輸出，通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器和諧振腔的距離以及準(zhǔn)直器內(nèi)透鏡和光纖的距離，使得激光準(zhǔn)直輸出后的束腰半徑和束腰位置符合理論計(jì)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(shí)時傳輸?shù)绞静ㄆ?。在示波器?nèi)設(shè)置trigger out，當(dāng)PD探測器探測到電壓信號達(dá)到設(shè)定閾值后，向AFG輸出一個trigger信號。AFG中預(yù)先設(shè)置好一個反相脈沖信號，一旦被觸發(fā)，便會向AOM Driver輸出0V的電平，持續(xù)100us，然后又恢復(fù)到5V電平，等待下一次觸發(fā)。

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(guān)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(jìn)行擬合分析。

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(shù)為：y = a*exp(-x/t)+c，參數(shù)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(dá)不到99.99%的指標(biāo)，用5.864us的衰蕩時間可以推出，1550nm高反鏡在1653.7nm的發(fā)射率約為99.97%，符合1550nm高反鏡在1653.7nm的反射率。為了達(dá)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(jīng)有較為明顯的吸收峰。

以1mA為測量間隔，從37~45mA逐個采集衰蕩曲線（事先已經(jīng)用直接吸收法確認(rèn)過，吸收峰在這個電流范圍內(nèi)），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(jīng)非常明顯。