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《山西大学》 2018年
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超灵敏噪声免疫腔增强光外差分子光谱系统的设计与优化

赵刚  
【摘要】:基于电场与气相原子、分子或者离子的相互作用,激光吸收光谱技术已被广泛应用于环境检测、工业过程控制、病理学诊断、国防安全等应用领域以及精密光谱、频率标准、超冷原子分子光谱研究等基础科学研究领域。发展高灵敏高分辨气态物质光谱检测技术是提高基础研究和应用装备制造水平的重要需求,因此成为国内外的研究热点。近几十年中,基于调制、多通道池以及腔增强等技术,人们发展出了不同的激光吸收光谱技术(LAS),探测灵敏度得到了有效的提升。噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)通过结合频率调制光谱技术以及腔增强吸收光谱技术,有效地抑制了系统的探测噪声,增长了光与气体介质相互作用的长度,其获得的探测灵敏度超越了现有的其他所有LAS技术,然而其性能还未达到最佳。为了进一步提升NICE-OHMS技术的性能,本文从以下两方面开展研究:一、优化实验系统并提出新的实验方案,提升NICE-OHMS系统的探测灵敏度;二、将NICE-OHMS技术应用于实际的痕量气体检测以及频率标准的建立。本论文主要内容包括:1.介绍了频率调制技术以及腔增强技术原理,法布里玻罗(FP)光学腔模式匹配条件,以及Pound-Drever-Hall(PDH)锁定和DeVoe-Brewer(DVB)锁定技术;阐述了NICE-OHMS的实现过程及其理论模型,并分析了限制NICE-OHMS性能的主要因素,总结了提升探测灵敏度的方法。2.首次实现了基于回音壁模式(WGM)激光器的NICE-OHMS系统。光学腔使用反射率为99.994%(@1530nm)的高反镜,精细度约为55000;腔长为40厘米,等效吸收长度达到了14千米;介绍了实验系统中使用的光学元器件以及射频模块的功能以及原理;采用同时反馈控制激光器内部压电陶瓷(PZT)和外部声光调制器(AOM)实现了100kHz带宽的PDH锁定,通过反馈射频源实现了1kHz带宽的DB锁定,并对两者的锁定性能进行了评估;获得了多普勒展宽NICE-OHMS信号;模拟了不同气压下NICE-OHMS色散信号的幅度,得到最佳探测气压;最终对C_2H_2和CO_2的光谱进行同时测量,使用阿伦方差评估了系统的探测灵敏度,在150秒积分时间下获得了6.6?10~(-1) ~4cm~(-1)的探测灵敏度。3.首次提出了差分NICE-OHMS方法。该方法基于同时测量透射以及反射NICE-OHMS信号,以一定权重将两信号相加后获得差分NICE-OHMS信号。首先依据光学腔的传递函数给出了透射及反射NICE-OHMS的理论表述,分析了腔镜损耗、阻抗匹配以及空间模式匹配对透射端和反射端气体吸收以及背景信号的影响,由此提出了差分NICE-OHMS方法的理论依据,并且给出了两信号相加时权重值的计算公式;实验中基于掺饵光纤激光器,验证了差分NICE-OHMS的有效性,并且对其探测灵敏度进行了评估,在170秒积分时间下获得了4.7?10~(-1) ~4cm~(-1)的探测灵敏度。4.使用平衡探测技术首次实现了多普勒展宽NICE-OHMS信号的散粒噪声极限测量。首先介绍了平衡探测的原理以及实验装置;进一步通过对背景信号的测量以及阿伦方差分析验证了平衡探测的有效性,在220秒积分时间下获得了2.2?10~(-1) ~4cm~(-1)的探测灵敏度;依据不同激光功率下系统的白噪声响应特性,证实了平衡探测NICE-OHMS具有散粒噪声极限探测的能力。5.使用NICE-OHMS系统对吸烟者呼出气中的C_2H_2进行了测量。首先分析了分子光谱干涉对多普勒以及亚多普勒信号的影响;然后介绍了一种基于光学腔位置抖动方法抑制etalon噪声的方案,通过直接测量背景信号以及使用阿伦方差分析了该方法对背景信号抑制的效果;最后对两位吸烟者呼出气中的C_2H_2进行了高灵敏高分辨测量,这是首次将NICE-OHMS技术用于实际应用。6.基于亚多普勒NICE-OHMS信号实现激光频率的锁定,从而获得频率标准。利用亚多普勒NICE-OHMS信号作为误差信号,将激光频率锁定到了CO_2在1.57μm处的跃迁线中心,使用β-seperation线方法对锁定后的激光线宽进行了评估,通过对激光频率噪声的长期测量分析,其相对频率稳定度在积分时间为4s时达到了1.4?10~(-15);最后将该频率标准应用于腔增强光学频率梳系统中,对16THz范围内的光学腔腔模进行了测量。在以上介绍的工作中,我们提出了三种新颖的NICE-OHMS系统,分别为基于WGM激光器的NICE-OHMS、差分NICE-OHMS、平衡探测NICE-OHMS,连续三次刷新了基于多普勒展宽NICE-OHMS的痕量气体探测灵敏度的世界纪录,并且首次获得了多普勒NICE-OHMS信号的散粒噪声极限测量。最后我们以对吸烟者呼出气中C_2H_2气体的检测为例探索了NICE-OHMS在痕量气体检测中的应用。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN24;O433

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