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利用腔衰蕩系統(tǒng)探測C2H2在1520nm處的吸收峰 - 筱曉光子AOL實(shí)驗(yàn)室⑧

來源:筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司   2023年11月28日 13:46  

在上一期,我們成功測量了10ppm的CH4氣體在1653.7nm的吸收峰,但是用空腔衰蕩時(shí)間5.864us,計(jì)算得到1550nm的高反鏡在1653.7nm只有99.97%的反射率,不足以體現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的性能。所以,我們更換了一個(gè)1520nm的C2H2吸收峰去探測。下圖為探測C2H2衰蕩信號(hào)時(shí)的實(shí)拍圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和上期測CH4氣體相同,只是更換了1550nm的AOM,同時(shí)嘗試用自制的激光器驅(qū)動(dòng)替代Thorlabs的ITC4005驅(qū)動(dòng)。


首先,我們在HITRAN數(shù)據(jù)庫中比對C2H2和H2O的吸收峰,尋找一個(gè)幾乎不受水峰干擾乙炔吸收峰。盡管水峰在這個(gè)波長范圍的吸收系數(shù)比乙炔少了好幾個(gè)數(shù)量級,但是在腔衰蕩系統(tǒng)中都測到了很強(qiáng)的吸收峰,困擾了我們很多天,最后才排查出是水峰的影響。最后,選擇了6578.56 cm-1(1520nm)作為測試點(diǎn),這也是局限于我們的DFB激光器的波長調(diào)諧范圍,無法調(diào)到左邊那個(gè)更好的吸收峰。




同時(shí)對上一期的腔衰蕩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖做出更正: 腔兩端的兩個(gè)通氣口是用于氣體進(jìn)出,中間的端口是用于連接溫度傳感器或壓力傳感器的,而非排氣口,更正完的示意圖如下。





通入足量C2H2后,我們先TDLAS的方法確定了該吸收峰的大致位置,此時(shí)激光器的溫度調(diào)節(jié)為36.5℃,電流掃描范圍為36mA~48mA。然后以1mA為測量間隔,分別測量該電流區(qū)間內(nèi)的腔衰蕩時(shí)間,得到吸收曲線如下圖所示,吸收點(diǎn)的衰蕩時(shí)間為9.8us。



開腔靜置兩天后,在吸收點(diǎn)的位置再測一次衰蕩時(shí)間,得到的結(jié)果為27.78us,計(jì)算得到腔鏡反射率為99.994%,如下:




查詢HITRAN,得到該吸收峰的吸收系數(shù)為130,代入公式:







得到C2H2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.693ppm,但是氣體標(biāo)定的指標(biāo)是2ppm。目前,我們推測有三種可能:



1)氣體的標(biāo)定值不準(zhǔn);
2)靜置兩天后測得的27.78us不是真正的空腔衰蕩時(shí)間,仍然受到其他分子氣體(水分子)的干擾,我們將會(huì)使用抽氣泵,盡可能的將諧振腔做到真空,再測量空腔衰蕩;
3)激光器驅(qū)動(dòng)的電流噪聲大。一個(gè)采集點(diǎn)的衰蕩時(shí)間可能是好幾個(gè)不同縱模位置的衰蕩時(shí)間的平均,這導(dǎo)致整體的吸收峰在頻域上被展寬,但是吸收峰的深度變小。我們下期將會(huì)使用低噪聲驅(qū)動(dòng)進(jìn)行比對。不過,電流噪聲在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)反而有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),相當(dāng)于激光器一直處于一個(gè)噪聲信號(hào)的頻率調(diào)制,使得激光的抖動(dòng)范圍大于一個(gè)FSR,調(diào)節(jié)腔衰蕩系統(tǒng)的時(shí)候不需要考慮縱模匹配,總是能采集到衰蕩信號(hào)。



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