利用腔衰荡系统探测C2H2在1520nm处的吸收峰 - 筱晓光子AOL实验室⑧

2023-01-06 14:36:25

在上一期，我们成功测量了10ppm的CH4气体在1653.7nm的吸收峰，但是用空腔衰荡时间5.864us，计算得到1550nm的高反镜在1653.7nm只有99.97%的反射率，不足以体现这个系统的性能。所以，我们更换了一个1520nm的C2H2吸收峰去探测。下图为探测C2H2衰荡信号时的实拍图。系统结构和上期测CH4气体相同，只是更换了1550nm的AOM，同时尝试用自制的激光器驱动替代Thorlabs的ITC4005驱动。

首先，我们在HITRAN数据库中比对C2H2和H2O的吸收峰，寻找一个几乎不受水峰干扰乙炔吸收峰。尽管水峰在这个波长范围的吸收系数比乙炔少了好几个数量级，但是在腔衰荡系统中都测到了很强的吸收峰，困扰了我们很多天，最后才排查出是水峰的影响。最后，选择了6578.56 cm-1（1520nm）作为测试点，这也是局限于我们的DFB激光器的波长调谐范围，无法调到左边那个更好的吸收峰。

同时对上一期的腔衰荡系统结构示意图做出更正： 腔两端的两个通气口是用于气体进出，中间的端口是用于连接温度传感器或压力传感器的，而非排气口，更正完的示意图如下。

通入足量C2H2后，我们先TDLAS的方法确定了该吸收峰的大致位置，此时激光器的温度调节为36.5℃，电流扫描范围为36mA~48mA。然后以1mA为测量间隔，分别测量该电流区间内的腔衰荡时间，得到吸收曲线如下图所示，吸收点的衰荡时间为9.8us。

开腔静置两天后，在吸收点的位置再测一次衰荡时间，得到的结果为27.78us，计算得到腔镜反射率为99.994%，如下：

查询HITRAN，得到该吸收峰的吸收系数为130，代入公式：

得到C2H2物质的量分数为1.693ppm，但是气体标定的指标是2ppm。目前，我们推测有三种可能：

1）气体的标定值不准；

2）静置两天后测得的27.78us不是真正的空腔衰荡时间，仍然受到其他分子气体（水分子）的干扰，我们将会使用抽气泵，尽可能的将谐振腔做到真空，再测量空腔衰荡；

3）激光器驱动的电流噪声大。一个采集点的衰荡时间可能是好几个不同纵模位置的衰荡时间的平均，这导致整体的吸收峰在频域上被展宽，但是吸收峰的深度变小。我们下期将会使用低噪声驱动进行比对。不过，电流噪声在调节系统时反而有一个优点，相当于激光器一直处于一个噪声信号的频率调制，使得激光的抖动范围大于一个FSR，调节腔衰荡系统的时候不需要考虑纵模匹配，总是能采集到衰荡信号。

产品图片	产品名称	产品链接
	模块式激光控制器 (0～225mA 电压 2.5V@80mA)	//www.debmaha.com/?a=cpinfo&id=523
	1520nm DFB Laser diode for C2H2 Sensing	http://www.ld-pd.com/?a=cp3&id=327
	1550/1650nm 单模/保偏光纤声光调制器	//www.debmaha.com/?a=cp3&id=217
	超光滑超高反射率(＞99.99%) 反射镜 1550nm（可定制）	//www.debmaha.com/?a=cpinfo&id=1905
	铟镓砷(InGaAs)放大型光电探测器 800-1700nm (140MHz)	//www.debmaha.com/?a=cpinfo&id=2169
	可调焦非球面光纤准直器 (焦距4.5/7.5/11mm)	//www.debmaha.com/?a=cpinfo&id=2328