程桐 杨天悦 宫廷 郭古青 邱选兵 李传亮† 赵刚 马维光‡

1) (太原科技大学应用科学学院,山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心,太原 030024)

2) (山西大学激光光谱研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原 030006)

1 引言

痕量气体检测技术在大气污染物检测、温室气体监测、人体呼出气体分析以及工业过程中特定气体的测量等领域发挥着重要的作用[1,2].激光吸收光谱技术(laser absorption spectroscopy,LAS)具有高探测灵敏度、短响应时间、可以实现实时在线测量等优势,已成为痕量气体检测领域的研究热点[3,4].但是,常见的LAS 技术如直接吸收和波长调制光谱技术等通常灵敏度较低,只有10—3—10—6量级,不能满足某些领域的测量要求,如人体呼出气体检测[5]、同位素分析[6]等.为了提高探测灵敏度,通常可以使用多光程吸收池或者共振型光学腔来增加激光与待测气体相互作用的有效光程.受限于物理空间,多光程吸收池对光程的增加只有几米到十几米[7,8],对探测灵敏度的提高有限.使用共振型光学腔,激光可以在腔镜之间多次往返,且腔镜反射率越高往返次数越多,这样可以有效增加激光与腔内气体的相互作用长度,提升对气体的检测灵敏度,常用的有腔衰荡吸收光谱[9]、腔增强吸收光谱[10]等.但是这些方法通常要求激光器的线宽非常窄(约千赫兹量级),而现在常用于吸收光谱测量技术的半导体激光器,如外腔半导体激光器线宽通常为百千赫兹,其他类型激光器如分布反馈式半导体激光器、量子级联激光器等线宽大多在兆赫兹量级,这就大大降低了光学腔的耦合效率,使得探测灵敏度有所下降.光学反馈腔增强吸收光谱技术(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy,OF-CEAS)是腔增强吸收光谱技术的一个分支,该技术主要有以下两个优点:1)使用光学腔可以有效增加激光与样品气体的相互作用长度;2)通过调节反馈场的相位以及强度,激光频率可以较为稳定地锁定到光学腔的腔模频率.这样就可以压窄半导体激光器的线宽,提高激光注入光学腔的效率,从而使得OF-CEAS 系统的探测灵敏度有较大提升[11-13].

最早用于OF-CEAS 系统的光学腔为V-型腔,这种结构可以有效避免前腔镜直接反射回来的光对激光器的影响.然而,三腔镜结构使得腔镜损耗大大增加,在腔镜等反射率的条件下其精细度低于两镜腔.此外,V-型腔更易受到外界振动的影响,稳定性差[13,14].相较于三腔镜结构,线性光学腔由两块腔镜组成,其腔镜损耗更低、稳定性更高,引起了研究人员极大的兴趣.然而在OF-CEAS 系统中使用这类光学腔存在一个缺陷,激光器会受到由前腔镜直接反射的非共振光的影响,引起共振光和非共振光之间的反馈竞争.为了克服此影响,2013年Ritchie 等[15,16]通过在空间上滤除前腔镜直接反射回来的激光,实现了基于线性光学腔的OFCEAS 系统.然而这种方法会引入激光与光学腔之间的空间模式失配,降低耦合效率.2021 年山西大学马维光等[17,18]通过系统理论推导和实验验证,提出当光学腔到激光器的距离控制恰当时,可以实现光学反馈且激光器不会受到直接反射光的影响.研究发现,线性OF-CEAS 系统中也存在干涉噪声,造成干涉的原因有很多,比如各种光学元器件之间的相互干涉、腔镜前后表面之间的干涉等,这些干涉都会对光谱分析造成一定的影响.常用于干涉抑制的方法有:在光学元件表面镀增透膜[19]、光学器件的有规律抖动[20]、后期信号处理[21]以及使用合适的调制指数[22]或调制频率[23]等,Ehlers等[24]在2014 年提出放置光学元器件于特殊的间隔可以抑制光学元器件之间的干涉噪声.

本文搭建了一套基于光学反馈线性腔增强吸收光谱技术的光谱测量系统,提出了一种使用软件算法消除OF-CEAS 系统中激光在光学腔前腔镜前后表面之间干涉的方法,并通过测量1.53 µm 附近的乙炔气体进行验证,实现了对体积分数为1.0 × 10—5的乙炔标准气体的测量,并评估了系统的探测灵敏度.

2 实验装置

如图1 所示,搭建了一套基于线性光学腔的OF-CEAS 系统.系统采用中心波长为1.53 µm 的连续单模输出半导体激光器(TR-1531-DFB-TO5),线宽约为1 MHz,将其安装在一个三维精密位移台上,用来实现水平位置的调节.使用激光驱动控制器(ILX Lightwave,LDC-3724C)实现激光器温度控制及电流调谐,函数发生器(Tektronix,AFG3000C)生成的三角波扫描信号调制驱动器输出电流,实现激光器出光波长的连续调谐.激光器输出光束经过二分之一波片(half wave plate,λ/2)、四分之一波片(quarter wave plate,λ/4)、偏振分光棱镜(polarized beam splitter,PBS)、两块反射镜以及匹配透镜后耦合到光学腔中.二分之一波片可以用来调整激光的偏振方向,使得激光可以全部透过分光棱镜进入光学腔.通过旋转四分之一波片可以改变返回到激光器的反馈光强度,使反馈强度满足发生光学反馈的条件.二分之一波片和四分之一波片两者配合,这样既可以使反馈光的强度满足反馈条件,又不会影响耦合进光学腔的激光功率.研究表明,只有激光器出光到光学腔前腔镜的距离等于光学腔腔长的整数倍时,才能达到光学反馈的条件[25].实验中通过调节精密位移台来改变激光器到光学腔的距离,实现对相位的粗调;通过在离光学腔较近的反射镜上安装压电陶瓷(PZT,Thorlabs PA44M3KW,最大位移3.9 µm),控制高压放大器输出电压改变PZT 的长度实现相位的细调.当反馈相位没有完全达到反馈条件时,透射腔模信号会出现腔模不对称的现象,使用计算机软件程序分析不对称性并得到校准后的电压,经由数据采集卡传输到高压放大器,这样可实现对反馈相位的动态调节[26].最终对激光波长进行扫描时,只要激光频率和光学腔共振,共振光返回到激光器就会发生光学反馈.光学腔透射腔模信号的探测及实现数据的采集分别由光电探测器(Thorlabs,PDA50B2)和数据采集卡(美国国家仪器公司,PCI-6335)完成.实验中使用的光学腔腔长约为60 cm,相应的自由光谱区约为250 MHz.光学腔由两个高反射率的腔镜组成,反射率约为99.65%,精细度约为900,腔内等效吸收光程约为340 m.搭建光学腔的类型为平凹腔,腔体结构简单、调节方便.

图1 基于线性腔的OF-CEAS 系统原理图Fig.1.System schematic of OF-CEAS system based on linear cavity.

3 结果与讨论

选取近红外波段有较强吸收的C2H2分子吸收谱进行测量.根据HITRAN2016[27]数据库显示,在室温(296 K)时,C2H2气体在6534.36 cm—1附近的吸收强度为1.211×10—20cm—1/(molecules·cm—2).通过改变激光器中心频率以及三角波扫描范围,调整激光器出光频率为6533.8638—6535.6244 cm—1,图2 所示为在光学腔中充入689.2 Torr (太原地区大气压,1 Torr=133.322 Pa) N2气体得到无吸收情况下的透射腔模信号.从图2 可以看出,在无吸收的条件下,透射腔模信号中存在干涉效应,干涉效应会在腔模信号上叠加额外的噪声,影响了光谱测量的精度和准确度[19].基于干涉产生的条件,当传播方向相同的两束同频激光相位差恒定时,则会产生干涉.在实验中各光学元器件均倾斜放置,为减小OF-CEAS 实验中干涉噪声造成的影响,提出了一种基于软件算法的干涉抑制方法:使用Ariy函数对背景信号进行拟合,将得到的拟合曲线作为OF-CEAS 实验的背景信号,对吸收信号做背景噪声去除就可以得到实际测量的光谱信号.

图2 N2 背景下的透射腔模信号Fig.2.Transmission cavity mode signal with N2 gas.

实验中通过监视激光自由运转时功率的变化发现,随着激光频率的增大,激光的功率呈衰减趋势,这也是导致干涉信号幅值衰减的原因.因此在分析干涉信号时,还需考虑激光功率的变化.可以用如下函数分析干涉信号:

式中,k和C表示常数;Ilaser为激光器出光功率背景函数;IAriy为使用Ariy 函数表示的干涉噪声,其函数表达式如下[28]:

其中,φ表示相位因子,R表示产生干涉效应的反射率,λ表示激光波长,n表示折射率,d表示光程差,约等于2L,L为产生干涉的标准具长度.通过软件算法对图2 的透射腔模信号寻峰,得到的数据如图3(a)所示.利用(1)式对其进行拟合,得到产生干涉的标准具长度L1=0.283 cm,这一数值与系统中用到的平面镜厚度接近,因此猜测实验中产生的干涉信号是由平面镜引起的.为验证这一猜想,在原实验装置不变的情况下,实验选取厚度为0.4 cm 和0.635 cm 的平面镜分别得到了无吸收情况下的透射腔模信号,其结果如图3(b)和图3(c)所示.同样地,用(1)式对实验数据拟合,分别得到L2=0.398 cm,L3=0.601 cm.经实验测量比对发现,拟合得到的产生干涉的标准具长度与实际平面镜厚度之间的误差小于5%,这进一步说明在OF-CEAS 系统中,透射腔模信号中的干涉噪声是由平面镜前后端面之间的干涉效应引起的.

图3 不同厚度前腔镜下的透射腔模信号(点线表示透射腔模信号峰值,红色实线表示拟合曲线)Fig.3.Transmission cavity mode signal under cavity front mirror with different thickness (The dotted line represents the peak of the transmitted cavity mode signal,and the solid red line represents the fitting curve).

图4 给出了在腔体内充入体积分数为1.0 ×10—5的C2H2标准气体,控制腔体内的总压强为689.2 Torr 时,通过扫描激光频率得到的透射腔模峰值信号.同时,使用(1)式对数据进行拟合,得到了图4 中红色曲线所示的背景信号.图5(a)给出了使用图4 中拟合得到的背景信号与吸收信号相减得到的无背景信号的C2H2气体的吸收光谱,对数据进行Voigt 拟合得到了红色拟合曲线.图5(b)显示了拟合残差,其标准偏差为4.99 × 10—4,对应的信噪比为140.与使用吸收信号和测得的背景信号直接相减方法得到的信噪比(72)相比,提升了近1 倍.该方法的优势在于使用Ariy 函数拟合背景信号,可以在拟合函数中引入相位因子,这样可以避免背景信号因环境变化引起的测量误差,也可以避免因激光频率漂移引起的信号初相位不一致.同时,在保证激光器中心频率不变的情况下,改变不同的扫描范围,本文拟合函数具有普适性.最终,评估得到系统的探测灵敏度约为7.143 × 10—8(1σ)[17,29].

图4 C2H2 气体吸收信号和Ariy 函数拟合得到的无吸收背景信号Fig.4.Absorption signal of C2H2 and the background signal obtained by Ariy function fitting.

图5 (a) C2H2 气体的吸收光谱及Voigt 拟合曲线;(b) 拟合残差Fig.5.(a) Absorption spectrum of C2H2 gas and its Voigt fitting curve;(b) fitting residual.

4 结论

本文利用中心波长为1.53 µm 的DFB 激光器,搭建了一套基于线性腔的OF-CEAS 系统,并且对OF-CEAS 系统中的干涉噪声来源进行分析.通过更换3 种厚度不同的前腔镜,再结合拟合函数对干涉信号分析,得到干涉长度与实际平面镜厚度之间的误差小于5%,实验结果表明干涉噪声与光学腔前腔镜两端面之间的距离有关.针对在透射腔模信号中发现的干涉噪声,提出了一种基于软件算法的干涉抑制方法,该方法使用Ariy 函数拟合干涉信号,将得到的拟合曲线作为系统的背景信号,对吸收信号做背景噪声去除进而可以得到测量光谱信号.在实际光谱拟合时只需拟合相位因子变量,简单并且准确,不需要进行复杂的差分探测.最后,基于该系统测量了1.53 µm 附近的乙炔气体吸收特性,并使用本文提出的方法得到了体积分数为1.0 × 10—5乙炔气体的测量光谱信号,评估系统的探测灵敏度约为7.143 × 10—8(1σ).