利用腔衰荡系统探测CH4在1653.7nm处的吸收峰 - 筱晓光子AOL实验室⑦

更新时间：2023-11-28

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利用上一期搭建的腔衰荡系统，我们成功测量了10ppm的CH4气体在1653.7nm的吸收峰，同时通过空腔衰荡时间计算出的腔镜反射率和腔镜指标符合，进一步验证了该腔衰荡系统的可用性和可靠性。

下图为筱晓光子的CRDS测量结构：1653 nm的DFB激光二极管由Thorlabs的ITC4005驱动，二极管工作温度控制在40℃，电流37~45mA。将输出的激光接在AOM上，用于在衰荡触发的时候关闭激光输入，以免影响衰荡结果。使用可调准直器（CFC8A-C）将经过AOM的激光准直空间输出，通过调节准直器和谐振腔的距离以及准直器内透镜和光纤的距离，使得激光准直输出后的束腰半径和束腰位置符合理论计算值。

谐振腔由一对曲率半径为1m，反射率＞99.99%的高反镜组成，使用橡胶圈与气室密封，气室长度为0.5m。气室有两个输入口一个输出口，可用于控制不同气体的输入输出。PD探测器用于探测输出光信号，并实时传输到示波器。在示波器内设置trigger out，当PD探测器探测到电压信号达到设定阈值后，向AFG输出一个trigger信号。AFG中预先设置好一个反相脉冲信号，一旦被触发，便会向AOM Driver输出0V的电平，持续100us，然后又恢复到5V电平，等待下一次触发。

在这100us的0V电平控制下，AOM Driver不会给AOM提供100M射频信号，AOM会处于关闭阶段，用示波器记录这一次衰荡波形，可以平均100次左右，保存一个波形，进行拟合分析。

下图是37mA时（此时激光波长不在CH4的吸收峰上），腔衰荡信号的一次拟合分析，拟合函数为：y = a*exp(-x/t)+c，参数t就是拟合的衰荡时间。从图中可以看到，拟合的t为5.864us。由于我们使用的高反镜是1550nm中心的，在1653.7nm处的反射率达不到99.99%的指标，用5.864us的衰荡时间可以推出，1550nm高反镜在1653.7nm的发射率约为99.97%，符合1550nm高反镜在1653.7nm的反射率。为了达到更高的测量灵敏度，可以更换1650nm中心的高反镜。不过本次测量的CH4浓度是10ppm，99.97%已经有较为明显的吸收峰。

以1mA为测量间隔，从37~45mA逐个采集衰荡曲线（事先已经用直接吸收法确认过，吸收峰在这个电流范围内），并分别拟合衰荡时间，绘制出了CH4的吸收曲线如下，可以看出10ppm的吸收已经非常明显。