安泰高压放大器在光纤激光器NICE-OHMS技术NH3浓度测量中的应用

　　实验名称：基于光纤激光器NICE-OHMS技术NH3浓度的测量

　　研究方向：

　　NICE-OHMS技术最初的目的是为了得到一个高度稳定的频率参考，结合了FMS与CEAS技术，1996年美国JILA小组的YeJun等人提出腔增强的频率调制光谱技术。基于高稳定的Nd：YAG激光器和精细度为105的高精细度腔，他们将激光器锁定到了1064nm处C2HD的亚多普勒信号上，获得了1×10-14cm-1的探测灵敏度和1×10-11频率稳定度（1s积分时间）。之后，人们发现这项技术在气体探测方向上同样具有发展潜力，于是基于不同激光器对不同气体分子吸收的测量实验开展了。为了获得完整的吸收线型，大量可调谐激光器测量了多普勒展宽下的气体吸收信号。在NICE-OHMS中，为了结合FMS与CEAS，在通过PDH技术将激光载频锁定到高精细度腔TEM00模的同时，需要通过DVB技术将FMS中的调制频率锁定到高精细度腔的自由光谱区上，由于FMS中的载波和边带同时受到PDH锁定中频率-噪声的影响，它们的拍频信号会将这部分干扰抵消掉，所以NICE-OHMS技术对该类噪声免疫，而这个噪声是限制CEAS探测灵敏度的主要因素。这些因素使得NICE-OHMS技术成为世界上灵敏度最高的痕量气体检测技术之一，同时也是高效的激光频率稳定技术。

　　测试设备：高压放大器、函数发生器、光纤激光器、光纤声光调制器、低通滤波器等。

　　实验过程：

　　图1：NICE-OHMS实验装置图

　　FL，光纤激光器；f-AOM，光纤声光调制器；f-AOM，光纤电光调制器；OI，空间光单通隔离器；MML，模式匹配透镜；λ/2，二分之一波片；λ/4，四分之一波片；PBS，偏振分束棱镜；Len，聚焦透镜；PD，光电探测器；PID，比例积分微分控制器；HVA，高压放大器；LP，低通滤波器；DBM，双平衡混频器；FG，函数发生器；φ，移相器；PID，比例积分微分控制器

　　实验装置如图1所示，光路部分：光纤激光器（FL）产生的激光经过光纤耦合的声光调制器（f-AOM），f-AOM+1级的衍射使激光频移110MHz，频移的激光经过光纤耦合的电光调制器（f-EOM），该电光调制器是波导型电光调制器，只允许沿e轴偏振的激光通过，避免了残余幅度调制的影响，通过f-EOM的激光由光纤准直器对光束整形后输出到自由空间。出射的空间光先经过光学隔离器（OI），这是为了避免光学元件之间的反射光进入到光纤中对光纤器件损坏，之后由匹配透镜（MML）对光束的光斑半径和曲率半径变换后通过二分之一波片（λ/2），λ/2将激光的偏振方向调整为与偏振分束棱镜（PBS）透射光偏振方向一致，透射过PBS的光经过四分之一波片（λ/4）耦合进入高精细度腔。腔的反射光再次通过λ/4，两次经过λ/4的结果是激光的偏振方向与透射过PBS光的偏振方向垂直，从而由PBS反射由透镜1（len1）聚焦后进入探测器1（PD1），用于PDH和DVB的锁定。腔的透射光经透镜2（len2）会聚后进入探测器2（PD2）探测，用于NICE-OHMS信号的获得。光路中尽量倾斜光学器件的光学平面，按照Etalon免疫距离（EID）的位置摆放，避免产生Etalon噪声影响最终信号。

　　电路部分：解调透射光以获得NICE-OHMS信号的射频频率νfsr=380MHz由信号发生器1（FG1）直接产生，信号发生器2（FG2）产生νdvb=355MHz，两者的拍频结果通过一个35MHz低通滤波器（LP1）获得νPDH=25MHz。νfsr和νPDH同时加在f-EOM上对激光进行调制，调制系数分别对应0.8和0.19。PD1探测的交流信号分成两束，分别用于PDH锁定与DVB锁定。与νPDH混频的结果经过低通滤波器2（LP2）送入比例积分微分控制器1和2（PID1和PID2，自制），PID1输出信号经过高压放大器放大（HVA）加载到激光器上，PID2输出信号直接给到f-AOM上，两者搭配实现带宽为100kHz的PDH锁定。与νdvb混频的结果，经过低通滤波器3（LP3）由比例微分积分控制器3（PID3）反馈到FG1的频率控制端口，用于实现带宽100kHz的DVB的锁定。锁定后的激光频率与腔模频率一致，扫描F-P腔上压电陶瓷长度改变腔模频率进而改变激光器的频率，当激光频率扫过目标吸收物的分子跃迁线，透射出腔体的激光被探测器2接收，探测器2输出的交流信号与νfsr混频，然后经过低通滤波器4（LP4），得到NICE-OHMS信号。

　　实验结果：

　　图2：基于NICE-OHMS系统测量的气体吸收信号；(a)CEAS信号；(b)吸收相位的NICE-OHMS信号；(c)色散相位的NICE-OHMS信号

　　图2所示的是腔内气压保持70mTorr时候得到的系统信号，图2（a）是测量得到的CEAS信号，受频率-幅度噪声的影响，信号的信噪比，即信号幅度与线型宽度比仅为4.3。由前面分析，在70mTorr气压下气体的展宽线型主要是高斯线型，图2（a）中的红线是高斯线型拟合的结果，可以看到测量信号与拟合线型拟合度很高。图2（b）和图2(c)分别是用νfsr在吸收相位和色散相位解调透射腔模得到的NICE-OHMS信号，可以看到信号上下对称，线型平滑，说明在激光频率扫描过程中，激光到腔保持了良好的锁定效果，图中色散信号的幅度要大于吸收信号幅度，对色散信号的测量显示，信号幅度与线型宽度比为188，相较于腔增强信号，提升了43倍。本次测量激光的波数是1530.58nm，对应NH3在6533.4515cm-1位置吸收线，由HITRIN数据库知跃迁线强度为4.436×10-22（cm-1/molecule/cm-2），可以知对应的探测灵敏度为3.7×10-10cm-1。

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　　图：ATA-2022B高压放大器指标参数

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