實驗名稱：氣體拉曼光譜檢測裝置的設計與搭建

測試目的：開展氣體拉曼光譜檢測技術的研究，并設計基于光學反饋腔增強技術的氣體拉曼光譜檢測裝置。裝置采用可見光二極管激光器作為基礎光源，高精細度V型三鏡腔作為氣體池，通過光譜儀狹縫導入氣體的拉曼光譜信號，設置計算機端軟件參數(shù)，控制光譜儀與CCD相機對信號進行實時觀測采集。本章介紹基于V型三鏡腔的光學反饋腔增強氣體拉曼光譜檢測裝置的總體結構以及實驗環(huán)境要求，該裝置可劃分為三個關鍵部分，分別是激光控制模塊、氣體池、外部光路，裝置結合波長調(diào)制法實現(xiàn)激光頻率鎖定，保證氣體池內(nèi)激光功率足夠高，在氣體池的側面對氣體拉曼光譜信號進行收集探測。

測試設備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、激光控制器、探測器等。

實驗過程：

激光控制模塊：該部分的作用一是通過激光控制器控制二極管激光器的溫度和電流，使激光器工作在合適的條件下產(chǎn)生功率較高、頻率噪聲較小的單模穩(wěn)定運轉激光。二是通過函數(shù)發(fā)生器輸出低頻掃描信號，以及對激光器的輸出電流進行掃描；三是鎖相放大器的高頻調(diào)制信號與函數(shù)發(fā)生器的低頻掃描信號輸入到加法器疊加后，再輸入到激光控制器掃描和調(diào)制電流，控制激光器的最終輸出。

氣體池：該部分的作用一是作為氣體樣品池，通過進氣口與抽氣口控制腔體內(nèi)部的氣體狀態(tài)。氣體池由V型三鏡腔構成，包括殷鋼腔體、兩片平凹腔鏡、一片平平腔鏡、兩片寬帶高透射率窗片、進氣口、出氣口、氣壓計接口。

外部光路：該部分的作用是將二極管激光器的輸出光經(jīng)過準直、整形，使用刀口法測量光束質量，再進行模式匹配，使得輸出光可耦合到由V型三鏡腔組成的氣體池中，并且當腔的透射光反饋注入激光器時，分別對光學反饋過程中的反饋率和反饋相位進行控制。

圖1：鎖頻模塊結構組成

光學反饋注入鎖定：本文選擇波長調(diào)制法進行激光頻率的鎖定，結構設計如圖1所示，包括鎖相放大器、PID、高壓放大器和壓電陶瓷PZT。實驗設置鎖相放大器輸出頻率為20kHz，幅度為0.026V，相位為180°的高頻正弦調(diào)制信號，輸送到加法器與函數(shù)發(fā)生器輸出的低頻掃描信號相疊加，用于調(diào)制激光器的輸出，再與V型三鏡腔腔模信號混頻解調(diào)產(chǎn)生誤差信號。如圖2所示為激光鎖頻前腔模信號與誤差信號，可以看出誤差信號存在過零點且斜率為負，零點對應腔模信號的最大值。誤差信號輸送至PID模塊，產(chǎn)生的控制信號連接到與高壓放大器，高壓放大器的輸出再與高反鏡后粘貼的壓電陶瓷PZT連接。實驗中通過高壓放大器細調(diào)控制壓電陶瓷PZT的伸縮使得反饋相位最佳，外部光路精確保持為腔單臂的三倍，腔模信號呈左右對稱圓拱狀。鎖定前先關掉掃描信號，腔內(nèi)激光保持無規(guī)律振蕩，設置PID中P為8，I為10的3次方，D為0，此時誤差信號的斜坡消除，反饋相位鎖定到最佳點。

圖2：激光鎖頻前的腔模信號與誤差信號

拉曼光側向收集光路：基于側向收集方式設計并搭建拉曼光側向收集光路，包括凹面鏡、聚焦透鏡、陷波濾波片、光譜儀、CCD相機以及計算機。

圖3：拉曼光側向收集光路結構

實驗結果：

本章重點討論了基于光學反饋腔增強的氣體拉曼光譜檢測技術，基于該技術搭建了V型三鏡腔的光學反饋腔增強實驗裝置。裝置需保持在恒溫、隔震、無光的實驗環(huán)境中，裝置包括三個關鍵部分，其中激光控制模塊控制激光溫度并掃描調(diào)制激光電流，產(chǎn)生模式穩(wěn)定的激光，氣體池讓進入腔內(nèi)的激光共振干涉增強，并與腔內(nèi)待測氣體介質相互作用，產(chǎn)生氣體拉曼散射光，外部光路對二極管激光器輸出光進行準直、整形、模式匹配后，并耦合到氣體池中，同時氣體池的透射光沿原路反饋注入激光器，改善激光器的輸出性能?；诓ㄩL調(diào)制法將腔內(nèi)激光鎖定到腔模頂點，保證腔內(nèi)激光始終處于最大值，提高腔內(nèi)拉曼光譜信號的強度。拉曼光側向收集光路用于收集并分析氣體池內(nèi)部產(chǎn)生的拉曼光譜信號。

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審核編輯 黃宇