[发明专利]一种用于探测亚多普勒光谱的通用NICE-OHMS系统

说明书

本发明属于激光光谱技术领域，提出了一种用于探测亚多普勒光谱的通用NICE‑OHMS系统，包括单边带相位调制器、掺铒光纤放大器和压控振荡器，压控振荡器用于驱动单边带相位调制器，激光器发出的光束依次经单边带相位调制器、掺铒光纤放大器、电光调制器、模式匹配透镜、/波片、偏振分光棱镜、/波片后进入高精细度腔，高精细度腔的腔前反射信号经第一探测器探测，第二探测器探测的反射信号经PID伺服回路处理后输出反馈信号给压控振荡器，以控制压控振荡器的驱动频率，进而控制单边带相位调制器的偏置频率，以实现激光频率的PDH锁定。本发明可以兼容多种激光器，提高了NICE‑OHMS系统的兼容性。

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种用于探测亚多普勒光谱的通用NICE-OHMS系统。

背景技术

痕量气体检测技术已经应用在我们生活生产中的方方面面，比如在环境检测，工业尾气监测，病理诊断，精细农业，外太空探测以及芯片制造业等有广泛的应用。吸收光谱技术作为一种新型的痕量气体检测技术，相较于传统的电化学法和气相色谱法具有：无接触，高灵敏，可现场实时探测的优势。噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）技术是目前世界上最灵敏的吸收光谱探测技术，最新的探测灵敏度记录为2.2X10^-14cm^-1，NICE-OHMS技术是1996年叶军等人提出并用于提供频率标准的，后来应用到痕量气体检测领域并作为一个重要分支发展至今。值得注意的是，在NICE-OHMS技术中，亚多普勒光谱因为免疫多普勒展宽对线型的影响，具有超高的频率分辨率，常常作为误差信号用于实现激光器到气体吸收线的锁定，从而可以用作频率标准。

如图1所示，为现有技术中传统NICE-OHMS技术的结构示意图，激光器1产生的激光经过光纤接入声光调制器（AOM）29，在经过电光调制器2和光纤准直器3将激光转化为空间光，经模式匹配透镜4、1/2波片5、偏振分光棱镜（PBS）6和1/4波片7后耦合到高精细度腔8内，腔前镜的反射光经过偏振分光棱镜（PBS）6、反射镜11后射入探测器12。腔前镜的反射光用作Pound-Drever-Hall（PDH）和DeVeo-Brewer（DVB）锁定。两个射频信号源16和17产生的射频信号经过混频器18拍频后通过低通滤波器19，一路信号给到电光调制器2，另一路经过移相器20与探测器12探测的反射光信号通过混频器13拍频，拍频信号通过低通滤波器14后输送到比例积分微分（PID）伺服回路15，PID伺服回路给出反馈信号输送到激光器内置压电陶瓷（PZT）28，来控制激光频率，实现PDH锁定。另一方面，射频信号源17产生的射频信号经过移相器21与探测器12探测的反射光信号通过混频器22拍频，拍频信号通过低通滤波器23后输送到PID伺服回路24，经由PID伺服回路24反馈给射频源16，实现DVB锁定。此外，高精细度腔8的透射信号经待测气体后，由探测器10进行探测，射频信号源16产生的射频信号经过移相器25与探测器10测量得到的透射信号通过混频器26拍频，拍频信号经过低通滤波器27就可以得到NICE-OHMS信号。

NICE-OHMS技术结合了频率调制光谱（FMS）技术和腔增强光谱（CEAS）技术，分别用于抑制噪声以及增强气体吸收信号。在一般NICE-OHMS系统中，通过给光路中的EOM 一个射频信号来实现对激光频率的调制，为了实现两种技术的结合，使用PDH技术将激光载频锁在光学腔上，同时用DVB技术将FMS调制边带锁定到相邻腔模上。

NICE-OHMS技术的关键技术是PDH锁定，PDH锁定的难点在于PID锁定。腔前镜的反射光解调获得的PDH误差信号通过PID电路送入激光器控制端，激光器内部的PZT作为频率调谐模块，将激光载频锁到腔上。但是，PZT在30KHz附近有共振现象，这一特性限制了PDH锁定带宽不超过10KHz，为了拓宽锁定带宽，一般使用AOM结合激光器的PZT作为频率转换器可以有效拓宽反馈带宽到100KHz。DVB的误差信号通过PID电路给到射频源的反馈控制端，将激光器的调制边带锁在光学腔的FSR上。