實(shí)驗(yàn)名稱：氣體拉曼光譜檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與搭建

測(cè)試目的：開展氣體拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)的研究，并設(shè)計(jì)基于光學(xué)反饋腔增強(qiáng)技術(shù)的氣體拉曼光譜檢測(cè)裝置。裝置采用可見光二極管激光器作為基礎(chǔ)光源，高精細(xì)度V型三鏡腔作為氣體池，通過光譜儀狹縫導(dǎo)入氣體的拉曼光譜信號(hào)，設(shè)置計(jì)算機(jī)端軟件參數(shù)，控制光譜儀與CCD相機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)采集。本章介紹基于V型三鏡腔的光學(xué)反饋腔增強(qiáng)氣體拉曼光譜檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求，該裝置可劃分為三個(gè)關(guān)鍵部分，分別是激光控制模塊、氣體池、外部光路，裝置結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制法實(shí)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(cè)面對(duì)氣體拉曼光譜信號(hào)進(jìn)行收集探測(cè)。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、激光控制器、探測(cè)器等。

實(shí)驗(yàn)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(yùn)轉(zhuǎn)激光。二是通過函數(shù)發(fā)生器輸出低頻掃描信號(hào)，以及對(duì)激光器的輸出電流進(jìn)行掃描；三是鎖相放大器的高頻調(diào)制信號(hào)與函數(shù)發(fā)生器的低頻掃描信號(hào)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(jìn)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(gòu)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(jìn)氣口、出氣口、氣壓計(jì)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(zhǔn)直、整形，使用刀口法測(cè)量光束質(zhì)量，再進(jìn)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(dāng)腔的透射光反饋?zhàn)⑷爰す馄鲿r(shí)，分別對(duì)光學(xué)反饋過程中的反饋率和反饋相位進(jìn)行控制。

圖1：鎖頻模塊結(jié)構(gòu)組成

光學(xué)反饋?zhàn)⑷腈i定：本文選擇波長(zhǎng)調(diào)制法進(jìn)行激光頻率的鎖定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(hào)，輸送到加法器與函數(shù)發(fā)生器輸出的低頻掃描信號(hào)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(hào)混頻解調(diào)產(chǎn)生誤差信號(hào)。如圖2所示為激光鎖頻前腔模信號(hào)與誤差信號(hào)，可以看出誤差信號(hào)存在過零點(diǎn)且斜率為負(fù)，零點(diǎn)對(duì)應(yīng)腔模信號(hào)的最大值。誤差信號(hào)輸送至PID模塊，產(chǎn)生的控制信號(hào)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(shí)驗(yàn)中通過高壓放大器細(xì)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(hào)呈左右對(duì)稱圓拱狀。鎖定前先關(guān)掉掃描信號(hào)，腔內(nèi)激光保持無規(guī)律振蕩，設(shè)置PID中P為8，I為10的3次方，D為0，此時(shí)誤差信號(hào)的斜坡消除，反饋相位鎖定到最佳點(diǎn)。

圖2：激光鎖頻前的腔模信號(hào)與誤差信號(hào)

拉曼光側(cè)向收集光路：基于側(cè)向收集方式設(shè)計(jì)并搭建拉曼光側(cè)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(jī)以及計(jì)算機(jī)。

圖3：拉曼光側(cè)向收集光路結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

本章重點(diǎn)討論了基于光學(xué)反饋腔增強(qiáng)的氣體拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)，基于該技術(shù)搭建了V型三鏡腔的光學(xué)反饋腔增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置。裝置需保持在恒溫、隔震、無光的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，裝置包括三個(gè)關(guān)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(jìn)入腔內(nèi)的激光共振干涉增強(qiáng)，并與腔內(nèi)待測(cè)氣體介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生氣體拉曼散射光，外部光路對(duì)二極管激光器輸出光進(jìn)行準(zhǔn)直、整形、模式匹配后，并耦合到氣體池中，同時(shí)氣體池的透射光沿原路反饋?zhàn)⑷爰す馄?，改善激光器的輸出性能。基于波長(zhǎng)調(diào)制法將腔內(nèi)激光鎖定到腔模頂點(diǎn)，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(hào)的強(qiáng)度。拉曼光側(cè)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(hào)。

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審核編輯 黃宇