噪聲免疫腔增強(qiáng)光外差分子光譜(NICE-OHMS)技術(shù)作為當(dāng)前世界上最靈敏的激光吸收光譜技術(shù),結(jié)合了頻率調(diào)制光譜技術(shù)(FMS)與腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)(CEAS)兩項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn):CEAS技術(shù)利用高反鏡構(gòu)成的高精細(xì)度諧振腔,使耦合進(jìn)入光學(xué)腔的激光在鏡間多次反射延長了光與吸收介質(zhì)的作用路徑,從而增強(qiáng)了吸收信號(hào);FMS技術(shù)將氣體物質(zhì)的吸收信息編碼到高頻段,通過解調(diào)濾波的方式有效地抑制了背景噪聲,特別是由于激光功率起伏引起的1/f噪聲;同時(shí)由于FMS技術(shù)對激光的調(diào)制頻率等于腔的自由光譜區(qū)(FSR),激光頻率相對于腔的任何抖動(dòng)對調(diào)制邊帶會(huì)產(chǎn)生相同的影響,而FMS技術(shù)探測的信號(hào)是兩個(gè)邊帶光的拍頻,這使得NICE-OHMS技術(shù)獨(dú)特的擁有了免疫于激光到腔的頻率-幅度噪聲的特性,而這個(gè)噪聲是影響CEAS技術(shù)探測靈敏度的主要因素。本文從NICE-OHMS的基本原理出發(fā),首先分開介紹了FMS與CEAS的基本原理,重點(diǎn)說明了CEAS當(dāng)中F-P腔的參數(shù)與性能,結(jié)合FMS與CEAS介紹了NICE-OHMS的原理及特性,給出了NICE-OHMS的信號(hào)線型。之后對實(shí)驗(yàn)當(dāng)中激光器的選擇,腔體的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)說明,理論計(jì)算并實(shí)現(xiàn)了激光到高精細(xì)度腔的模式匹配。進(jìn)一步的,為了體現(xiàn)頻率鎖定對于系統(tǒng)的重要性,文章給出了鎖定當(dāng)中換能器傳遞函數(shù)的測量方法,結(jié)合換能器的傳遞函數(shù)說明了伺服反饋環(huán)路中比例積分微分電路(PID)的設(shè)計(jì)初衷,通過激光到腔的鎖定結(jié)果體現(xiàn)了鎖定的性能。為了評(píng)估搭建的NICE-OHMS裝置,在70mTorr氣壓下對NH_3濃度進(jìn)行了測量,測量結(jié)果顯示,Pound-Drever-Hall(PDH)鎖定帶寬是4.3kHz,DeVoe-Brewer(DVB)鎖定帶寬0.38kHz,測量的NICE-OHMS信號(hào)信噪比是CEAS的43倍,探測靈敏度為3.7×10~(-10)cm~(-1)。由于高精細(xì)度腔的使用無源放大了腔內(nèi)激光功率,使得測量的NH_3發(fā)生光飽和,出現(xiàn)了亞多普勒結(jié)構(gòu),用PDH信號(hào)評(píng)估顯示,亞多普勒半高全寬(FWHM)為2.05MHz,文章最后把高精細(xì)度腔腔長鎖定到了該亞多普勒吸收線中心,對應(yīng)于激光頻率鎖定在了該亞多普勒吸收線上,阿倫方差結(jié)果顯示,頻率穩(wěn)定度在136s積分時(shí)間達(dá)到最優(yōu)值1.6×10~(-12)。在搭建的NICE-OHMS實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上,本文提出一種測量高精細(xì)度腔精細(xì)度的新方法-雙頻率調(diào)制法,有別于腔衰蕩(CRDS)技術(shù),該方法是一種連續(xù)測量,可以直接得到腔模的有關(guān)信息,之后用洛倫茲線型擬合得到腔模半高全寬(FWHM),自由光譜區(qū)(FSR)等參數(shù),利用該技術(shù)我們測量了實(shí)驗(yàn)中的腔體精細(xì)度,得到了腔的精細(xì)度為2373。這種方法不僅適用高精細(xì)度腔,對于精細(xì)度下降,腔內(nèi)衰蕩時(shí)間可以與探測器響應(yīng)時(shí)間比擬的低精細(xì)度腔也同樣適用。
【學(xué)位單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O561.3
【部分圖文】：

圖 1.1 當(dāng)前發(fā)展的激光吸收光譜技術(shù)述了目前已經(jīng)被公認(rèn)存在的激光吸收光譜技術(shù)，自上而下越高，但其所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。作為當(dāng)今高，實(shí)驗(yàn)裝置最為復(fù)雜的技術(shù)，NICE-OHMS 技術(shù)的研究價(jià)[16][17]

圖 2.1 激光穿過吸收物質(zhì)示意圖Beer 定理指出[29]，強(qiáng)度為 I0（W/m2）的一束單色激光，單樣品池后，光強(qiáng)衰減為 It（W/m2），I0與 It之間滿足如下關(guān)0( ) ( ) exp[ ( ) ]t dI I L

圖 2.2 氣體吸收譜線模擬圖吸收線的峰值是 χ(ν0)，半高全寬(FWHM)為 Δν，線隨頻率的變化關(guān)系，χ(νd)在整個(gè)頻域上的積分是 1，一光譜特征，展寬機(jī)制由于測量所處的環(huán)境不同而有氣體樣品測量時(shí)候的最大影響因素，實(shí)際測量中的光

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2826345