噪聲免疫腔增強光外差分子光譜技術(shù)（NICE-OHMS）是目前世界上最靈敏的激光吸收光譜技術(shù),其在低壓環(huán)境中具有極高的探測靈敏度。然而當(dāng)測量樣品處于大氣壓時, NICE-OHMS系統(tǒng)的探測靈敏度會大幅下降。主要原因之一是大氣壓下獲取最大NICE-OHMS信號幅度的條件與低氣壓下不同。通過對大氣壓NICE-OHMS理論進行分析,分析了影響信號幅度的參數(shù),并通過數(shù)值模擬來尋找最佳的實驗條件。本文著重討論影響信號的主要參數(shù)包括光學(xué)腔腔長L,調(diào)制系數(shù)β,探測相位θ。其中,由于在NICE-OHMS中使用DeVoe-Brewer技術(shù)將調(diào)制頻率ν_m鎖定到Fabry-Parot（FP）腔的自由光譜區(qū)（FSR）。因此FP腔的腔長決定了ν_m,同時還作用于信號幅度S■。模擬結(jié)果顯示,當(dāng)腔長增大時,由于ν_m隨之減小,載波和邊帶的光譜成分相互重疊部分增大,因此線型函數(shù)的幅度逐漸減小。而吸收信號幅度隨著腔長的增加而逐漸增加,色散信號幅度先增大后減小,并且在腔長等于8 cm時達到最大值。調(diào)制系數(shù)β會影響頻率調(diào)制后激光載波和邊帶的幅度大小,并且影響信號線... 

【文章來源】：光譜學(xué)與光譜分析. 2020年03期 北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

L=40 cm時NICE-OHMS信號

圖2(a)為模擬得到的不同解調(diào)相位下線型函數(shù) χ ˉ NO幅度與腔長的關(guān)系, 其中紅色、 黑色和藍色點線分別對應(yīng)吸收、 色散和幅度最大解調(diào)相位時的信號, 數(shù)值模擬參數(shù)與圖1一致。 從圖中可知, 隨著腔長的增加, 線型函數(shù)的幅度呈下降趨勢。 這是因為隨著腔長的增加, νm減小, 吸收線型中χ -1 abs 和χ 1 abs 項相互靠近, 而兩項相位相反, 相互抵消從而減小線型幅度; 而色散線型中χ -1 disp 和χ 1 disp 項逐漸靠近2χ 0 disp 項, 并且相位與2χ 0 disp 項相反, 從而造成線型幅度衰減。 當(dāng)腔長小于7 cm時, 吸收與色散線型幅度相近, 隨著腔長的增加, 兩個線型幅度衰減, 但是吸收相位幅度衰減較小; 當(dāng)L=20 cm時, νm=750 MHz, 吸收線型幅度是色散的3倍; 當(dāng)腔長大于20 cm之后, 吸收線型與最大相位時的幅度近乎相等。圖2(b)為模擬得到的NICE-OHMS信號幅度隨腔長的變化。 從圖中可知隨著腔長的增加, 色散信號幅度是先增加后減小, 并且在腔長等于8 cm時達到最大值。 吸收信號與最大信號的幅度逐漸增大, 但增速逐漸變緩, 并且在腔長大于30 cm后基本不變。 吸收和色散信號的表現(xiàn)不同主要是由于色散線型函數(shù)幅度隨腔長的下降率大于吸收信號。 當(dāng)腔長等于20 cm時, 吸收信號的幅度是色散信號的3.2倍。

在NICE-OHMS裝置中, 需將激光頻率鎖定到FP腔, 通過控制腔上PZT的電壓來實現(xiàn)激光頻率的同步調(diào)諧, 因此該PZT的頻率掃描范圍也是限制光譜測量的因素之一。PZT的頻率掃描范圍與腔長變化的對應(yīng)關(guān)系為：Δν=cΔL/（Lλ），其中c為光速，L為腔長，ΔL為PZT的最大伸長長度，，λ為激光波長。目前典型的NICE-OHMS實驗裝置[4,11]均采用Piezomechanik公司的環(huán)形PZT，單個最大伸長長度約為25μm。圖4(b）顯示了在1 531nm波長處模擬的PZT的最大頻率掃描范圍與腔長的對應(yīng)關(guān)系，可見隨著腔長的增加，掃描范圍迅速減小，當(dāng)大于10cm時，減小速度變緩。當(dāng)腔長為60cm時，PZT的掃描范圍大于8GHz；在腔長為典型的40cm時，掃描范圍大于12GHz。根據(jù)圖4(a）所示的信號峰峰間距，可發(fā)現(xiàn)25μm的PZT伸長長度足夠探測大氣壓下的NICE-OHMS信號。圖4 (a)腔長與譜線寬度的關(guān)系, (b)壓電陶瓷的掃描范圍與腔長的關(guān)系


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