實驗名稱：OF-CEAS中線性F-P腔在CH₄氣體檢測中的應用

　　研究方向：甲烷(CH₄)作為一種重要的溫室氣體，實現CH₄氣體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)在線(xian)高靈敏度(du)(du)檢(jian)測(ce)對人類的(de)(de)(de)(de)(de)生產生活有著重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)意義。使用OF-CEAS測(ce)量大(da)氣CH4濃度(du)(du)不(bu)僅可以實(shi)現(xian)高靈敏度(du)(du)、高精度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)，同時可以避免大(da)氣中H2O和(he)CO2等干擾氣體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)影響。本章介紹基于線(xian)性(xing)F-P腔OF-CEAS技(ji)術的(de)(de)(de)(de)(de)CH4檢(jian)測(ce)系(xi)統，實(shi)驗(yan)搭建基于線(xian)性(xing)兩腔鏡(jing)F-P諧振腔，選取(qu)中心頻(pin)率(lv)為1.65μm的(de)(de)(de)(de)(de)DFB激光(guang)(guang)器作為光(guang)(guang)源，使用衰減(jian)片實(shi)現(xian)對反饋光(guang)(guang)強的(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)節，使用水平位移臺和(he)壓(ya)電陶瓷調(diao)整(zheng)激光(guang)(guang)器到F-P腔的(de)(de)(de)(de)(de)距離。

　　測試設備：高壓放大器(qi)、函數發生(sheng)器(qi)、半導體激光器(qi)、壓電陶(tao)瓷等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：基于線性F-P腔的OF-CEAS原理圖(tu)

　　如圖1所示(shi)，搭建了一(yi)套(tao)基于線性F-P腔(qiang)(qiang)的(de)OF-CEAS系統。系統采用(yong)中(zhong)心波長(chang)(chang)為(wei)1.65μm的(de)連續(xu)單模(mo)輸(shu)出(chu)半導體激(ji)(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)，其(qi)最大輸(shu)出(chu)功率(lv)為(wei)10mW。將激(ji)(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)安(an)裝(zhuang)在一(yi)個二(er)維平移臺上(shang)，用(yong)來實(shi)現水(shui)平位置的(de)調(diao)節。使用(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)驅(qu)動控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)控(kong)制(zhi)激(ji)(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)的(de)溫(wen)度及注入(ru)(ru)電(dian)流，并設置其(qi)溫(wen)度為(wei)26℃，中(zhong)心電(dian)流為(wei)75mA。函數發生器(qi)(qi)(qi)控(kong)制(zhi)輸(shu)出(chu)頻率(lv)為(wei)10Hz，幅(fu)度為(wei)200mV的(de)三角波信號(hao)實(shi)現激(ji)(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)出(chu)光(guang)波長(chang)(chang)的(de)連續(xu)調(diao)諧。激(ji)(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)輸(shu)出(chu)光(guang)束分為(wei)兩部分，一(yi)束光(guang)經耦合器(qi)(qi)(qi)傳輸(shu)到(dao)(dao)波長(chang)(chang)計中(zhong)，實(shi)現激(ji)(ji)(ji)光(guang)頻率(lv)監(jian)視；另一(yi)束光(guang)經過衰減片、兩塊反(fan)射鏡(jing)(jing)以(yi)及匹(pi)配透鏡(jing)(jing)后耦合到(dao)(dao)光(guang)學腔(qiang)(qiang)中(zhong)，其(qi)中(zhong)衰減片可(ke)以(yi)用(yong)來調(diao)節通(tong)過激(ji)(ji)(ji)光(guang)的(de)光(guang)強進而改變(bian)反(fan)饋率(lv)。在靠近(jin)F-P腔(qiang)(qiang)的(de)反(fan)射鏡(jing)(jing)后面(mian)安(an)裝(zhuang)壓(ya)電(dian)陶瓷，其(qi)在有(you)(you)高電(dian)壓(ya)輸(shu)入(ru)(ru)的(de)條件下可(ke)以(yi)實(shi)現長(chang)(chang)度的(de)有(you)(you)規律改變(bian)，使用(yong)高壓(ya)放大器(qi)(qi)(qi)來產生高壓(ya)電(dian)流。

　　實驗結果：

　　圖2：N2背景下(xia)線(xian)性(xing)腔透(tou)射信號

　　如圖2所示(shi)，為實(shi)驗中(zhong)得到的在腔(qiang)體(ti)中(zhong)充入一個大氣壓N2氣體(ti)得到的無吸收(shou)情況(kuang)下的透射(she)腔(qiang)模信號。圖中(zhong)每個單一的透射(she)腔(qiang)模型狀均為“拱門型”，此時(shi)腔(qiang)模加寬，左(zuo)右對(dui)稱，說明反(fan)饋(kui)相位和反(fan)饋(kui)率等基本符合實(shi)驗要(yao)求。

　　圖3：氣壓689.2Torr下20ppmCH₄氣體吸收信號

　　圖3為在腔體中充入一個大氣壓CH₄得到的CH₄氣體OF-CEAS吸收光譜信號。此時三角波掃描頻率為10Hz、掃描幅度為200mV，對應激光器的頻率調諧范圍約為6046.1-6047.5cm^-1。在掃描的過程中，DFB激光器可以鎖定到86個連續的腔模，得到CH₄吸(xi)收(shou)信(xin)號大約(yue)覆蓋了(le)24個FSRs。

　　高壓放大器推(tui)薦：ATA-2042

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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