實(shí)驗(yàn)名稱：傳感系統(tǒng)的性能測(cè)試

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器、鎖相放大器、光電探測(cè)器、電腦等。

圖1：腔增強(qiáng)光聲傳感系統(tǒng)。f-EOM，光纖耦合電光調(diào)制器；f-AM，光纖耦合LiNbO3強(qiáng)度調(diào)制器；L1，模式匹配透鏡；λ/2，半波片；PBS，偏振分束棱鏡；λ/4，四分之一波片；L2和L3，聚焦透鏡；PD，光電探測(cè)器；SG，函數(shù)發(fā)生器；LPF，低通濾波器；PID，比例積分微分控制器；HV，高壓放大器；LIA，鎖相放大器；PC，電腦

實(shí)驗(yàn)過程：

為了驗(yàn)證所搭建的腔增強(qiáng)光聲傳感系統(tǒng)的性能，我們選擇乙炔（C2H2）氣體作為待測(cè)氣體，并選取C2H2分子位于1530.98nm處的吸收線作為目標(biāo)探測(cè)線，C2H2分子在此處的吸收線強(qiáng)度為4.00×10-21cm?molecule-1。對(duì)乙炔氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在化工生產(chǎn)、電力系統(tǒng)、工業(yè)過程控制等多個(gè)領(lǐng)域都有著十分重要的意義。實(shí)驗(yàn)中首先通過波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量回音壁模式激光器的出射波長(zhǎng)，并通過調(diào)節(jié)激光器控制軟件和掃描電流使出射波長(zhǎng)能掃描過所選擇的氣體吸收線。然后使用PDH鎖頻技術(shù)將激光器的出射波長(zhǎng)鎖定在腔模的正中心，由于此實(shí)驗(yàn)中我們主要關(guān)注的是光學(xué)腔的使用對(duì)光聲信號(hào)的放大倍數(shù)，所以無需保證激光器的出射波長(zhǎng)在氣體吸收譜線的正中心，只需使激光器的出射波長(zhǎng)在氣體吸收譜線的展寬范圍內(nèi)即可。為了產(chǎn)生光聲信號(hào)，一個(gè)光纖耦合LiNbO3強(qiáng)度強(qiáng)制器被用來對(duì)激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，高壓放大器產(chǎn)生一個(gè)直流偏置和信號(hào)發(fā)生器（SG3）產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波來驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)制器工作。該強(qiáng)度調(diào)制器能提供20dB的直流消光比，滿足本實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)度調(diào)制的需求。SG3產(chǎn)生的方波頻率設(shè)為光聲池的共振頻率1781.0Hz。由于強(qiáng)度調(diào)制和光纖耦合器件對(duì)光功率的損耗，導(dǎo)致入射到光學(xué)腔前的功率為0.7mW。麥克風(fēng)探測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過自制的差分放大電路后進(jìn)入到鎖相放大器，SG3輸出的TTL信號(hào)作為參考信號(hào)，鎖相放大器工作在1-f解調(diào)模式，時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1s，濾波斜率設(shè)置為12dB/oct，相應(yīng)的探測(cè)帶寬為0.25Hz。鎖相放大器解調(diào)后的信號(hào)被電腦上自編的LabVIEW程序?qū)崟r(shí)采集和處理。一瓶500ppm標(biāo)準(zhǔn)濃度的C2H2氣體和一瓶純氮?dú)猓∟2）通過氣體稀釋系統(tǒng)來產(chǎn)生不同濃度配比的C2H2/N2混合氣體。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：(a)激光器的掃描電壓信號(hào)；(b)光學(xué)腔的透射光信號(hào)；(c)誤差信號(hào)

腔模信號(hào)與誤差信號(hào)測(cè)試中，為了觀察光學(xué)腔的模式，實(shí)驗(yàn)中用信號(hào)發(fā)生器（SG1）產(chǎn)生一個(gè)頻率為10Hz的三角波來掃描激光器的出射波長(zhǎng)，并且為了使波長(zhǎng)掃描范圍能覆蓋到一個(gè)完整的自由光譜區(qū)（FSR）（~0.9GHz），三角波的正負(fù)峰值通過一個(gè)高壓放大器放大到±40V。激光器的掃描電壓信號(hào)、光學(xué)腔的透射光信號(hào)和誤差信號(hào)分別展示在圖2(a)、(b)和(c)中。通過圖2(b)可以獲得FSR與腔模線寬的比值，通過可以計(jì)算出腔內(nèi)的功率增強(qiáng)因子為175，也就意味著，在未達(dá)到吸收飽和效應(yīng)的情況下，使用光學(xué)腔比未使用光學(xué)腔時(shí)所獲得的光聲信號(hào)在理論上應(yīng)該強(qiáng)175倍。

圖3：有無光學(xué)腔的光聲信號(hào)對(duì)比圖

有無光學(xué)腔的光聲信號(hào)對(duì)比測(cè)試中，為了對(duì)比光學(xué)腔對(duì)光聲信號(hào)的增強(qiáng)效果，實(shí)驗(yàn)中將標(biāo)準(zhǔn)濃度500ppm的乙炔氣體充入到氣室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)均在大氣壓和室溫下進(jìn)行，獲得了使用光學(xué)腔（腔增強(qiáng)光聲傳感器）和不使用光學(xué)腔（傳統(tǒng)光聲傳感器）兩種情況下的光聲信號(hào)，如圖3所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出光學(xué)腔的使用使光聲信號(hào)從44.3μV增強(qiáng)到7366.8μV，即光聲信號(hào)增強(qiáng)了166倍?？紤]激光到光學(xué)腔的耦合效率為~95%，而理論上的信號(hào)增強(qiáng)倍數(shù)為175，因此，實(shí)驗(yàn)上獲得的光聲信號(hào)增強(qiáng)倍數(shù)與理論計(jì)算值一致。

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審核編輯 黃宇