實(shí)驗(yàn)名稱：傳感系統(tǒng)的性能測試

測試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器、鎖相放大器、光電探測器、電腦等。

圖1：腔增強(qiáng)光聲傳感系統(tǒng)。f-EOM，光纖耦合電光調(diào)制器；f-AM，光纖耦合LiNbO3強(qiáng)度調(diào)制器；L1，模式匹配透鏡；λ/2，半波片；PBS，偏振分束棱鏡；λ/4，四分之一波片；L2和L3，聚焦透鏡；PD，光電探測器；SG，函數(shù)發(fā)生器；LPF，低通濾波器；PID，比例積分微分控制器；HV，高壓放大器；LIA，鎖相放大器；PC，電腦

實(shí)驗(yàn)過程：

為了驗(yàn)證所搭建的腔增強(qiáng)光聲傳感系統(tǒng)的性能，我們選擇乙炔（C2H2）氣體作為待測氣體，并選取C2H2分子位于1530.98nm處的吸收線作為目標(biāo)探測線，C2H2分子在此處的吸收線強(qiáng)度為4.00×10-21cm?molecule-1。對乙炔氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測在化工生產(chǎn)、電力系統(tǒng)、工業(yè)過程控制等多個(gè)領(lǐng)域都有著十分重要的意義。實(shí)驗(yàn)中首先通過波長計(jì)測量回音壁模式激光器的出射波長，并通過調(diào)節(jié)激光器控制軟件和掃描電流使出射波長能掃描過所選擇的氣體吸收線。然后使用PDH鎖頻技術(shù)將激光器的出射波長鎖定在腔模的正中心，由于此實(shí)驗(yàn)中我們主要關(guān)注的是光學(xué)腔的使用對光聲信號的放大倍數(shù)，所以無需保證激光器的出射波長在氣體吸收譜線的正中心，只需使激光器的出射波長在氣體吸收譜線的展寬范圍內(nèi)即可。為了產(chǎn)生光聲信號，一個(gè)光纖耦合LiNbO3強(qiáng)度強(qiáng)制器被用來對激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，高壓放大器產(chǎn)生一個(gè)直流偏置和信號發(fā)生器（SG3）產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波來驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)制器工作。該強(qiáng)度調(diào)制器能提供20dB的直流消光比，滿足本實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)度調(diào)制的需求。SG3產(chǎn)生的方波頻率設(shè)為光聲池的共振頻率1781.0Hz。由于強(qiáng)度調(diào)制和光纖耦合器件對光功率的損耗，導(dǎo)致入射到光學(xué)腔前的功率為0.7mW。麥克風(fēng)探測到的信號經(jīng)過自制的差分放大電路后進(jìn)入到鎖相放大器，SG3輸出的TTL信號作為參考信號，鎖相放大器工作在1-f解調(diào)模式，時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1s，濾波斜率設(shè)置為12dB/oct，相應(yīng)的探測帶寬為0.25Hz。鎖相放大器解調(diào)后的信號被電腦上自編的LabVIEW程序?qū)崟r(shí)采集和處理。一瓶500ppm標(biāo)準(zhǔn)濃度的C2H2氣體和一瓶純氮?dú)猓∟2）通過氣體稀釋系統(tǒng)來產(chǎn)生不同濃度配比的C2H2/N2混合氣體。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：(a)激光器的掃描電壓信號；(b)光學(xué)腔的透射光信號；(c)誤差信號

腔模信號與誤差信號測試中，為了觀察光學(xué)腔的模式，實(shí)驗(yàn)中用信號發(fā)生器（SG1）產(chǎn)生一個(gè)頻率為10Hz的三角波來掃描激光器的出射波長，并且為了使波長掃描范圍能覆蓋到一個(gè)完整的自由光譜區(qū)（FSR）（~0.9GHz），三角波的正負(fù)峰值通過一個(gè)高壓放大器放大到±40V。激光器的掃描電壓信號、光學(xué)腔的透射光信號和誤差信號分別展示在圖2(a)、(b)和(c)中。通過圖2(b)可以獲得FSR與腔模線寬的比值，通過可以計(jì)算出腔內(nèi)的功率增強(qiáng)因子為175，也就意味著，在未達(dá)到吸收飽和效應(yīng)的情況下，使用光學(xué)腔比未使用光學(xué)腔時(shí)所獲得的光聲信號在理論上應(yīng)該強(qiáng)175倍。

圖3：有無光學(xué)腔的光聲信號對比圖

有無光學(xué)腔的光聲信號對比測試中，為了對比光學(xué)腔對光聲信號的增強(qiáng)效果，實(shí)驗(yàn)中將標(biāo)準(zhǔn)濃度500ppm的乙炔氣體充入到氣室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)均在大氣壓和室溫下進(jìn)行，獲得了使用光學(xué)腔（腔增強(qiáng)光聲傳感器）和不使用光學(xué)腔（傳統(tǒng)光聲傳感器）兩種情況下的光聲信號，如圖3所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出光學(xué)腔的使用使光聲信號從44.3μV增強(qiáng)到7366.8μV，即光聲信號增強(qiáng)了166倍。考慮激光到光學(xué)腔的耦合效率為~95%，而理論上的信號增強(qiáng)倍數(shù)為175，因此，實(shí)驗(yàn)上獲得的光聲信號增強(qiáng)倍數(shù)與理論計(jì)算值一致。

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審核編輯 黃宇