作者:马欲飞 来源:《光:先进制造》 发布时间:2023/9/19 17:37:19
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外差相位解调光致热弹光谱

 

痕量气体通常指体积浓度在ppt(10-12)到ppm(10-6)量级的气体。痕量气体检测在环境监测、生命医学、火灾预警、燃烧诊断中都有着重要的用途。2018年马欲飞教授课题组提出的光致热弹光谱技术 (Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy,简称LITES),具有灵敏度高、响应速度快、非接触式测量等优点,目前已成为痕量气体传感领域的研究热点之一。

在LITES中,通常可以通过增大激光功率来提升系统信号,但当激光功率增大时,由于激光直接照射音叉表面产生的热噪声也会随之增加。热噪声的存在限制了LITES技术中通过增大激光功率来获得更高信噪比、提升系统检测性能的目的。

针对传统LITES系统中存在的热噪声问题,可以利用音叉与光纤端头构成的法布里珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,简称FPI)对石英音叉的振动信息进行光学信号解调,这种解调方式有利于规避传统LITES中的热噪声,从而实现在高功率下更灵敏的气体探测。

图1(封面图)光致热弹光谱技术原理图。图源:哈尔滨工业大学

在基于激光吸收光谱技术的声学传感器中,通常对FPI采用强度解调方法,该方法可以对信号实现快速响应,并且结构简单易于操作。然而这种方法存在一些局限性,例如:腔长必须工作在干涉光谱的线性区域中、探测激光波长必须位于干涉光谱的正交工作点(Q点)才能保证系统达到最高灵敏度。由于环境干扰和探测激光光源扰动,系统的Q点会持续发生漂移,严重影响系统的长期稳定性。为解决FPI易受到扰动的问题,后续通常需配合Q点稳定算法来提高传感器的长期稳定性,但这会增加系统的复杂性,并且对设备性能有更多的要求和限制。

近日,哈尔滨工业大学航天学院马欲飞教授团队通过对FPI的振动进行外差相位解调,从理论和实验上验证了在一定条件下FPI的相位仅与微振动有关、与探测激光功率无关、对探测激光波长微小变化不敏感,从而大大改善了系统的长期稳定性。与传统的强度解调相比,这种外差相位解调系统简单,并对光源和环境扰动均具有良好的免疫性。

相关工作以“Fabry-Perot based phase demodulation of heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy”为题发表在Light:Advanced Manufacturing。通讯作者:哈尔滨工业大学马欲飞教授;第一作者:哈尔滨工业大学郎梓婷博士。

基于法布里珀罗(Fabry-Perot,简称F-P)的外差光致热弹光谱(H-LITES)相位解调系统结构示意图如图2所示。激光经气体分子吸收后聚焦在石英音叉表面,由于光致热弹能量转换,石英音叉尖端产生机械振动,单模光纤末端和石英音叉侧壁构成的F-P腔长度产生变化,由光电探测器获得的反射光强送入到锁相放大器中进行外差相位解调即可获得音叉的振动信息,从而反演得到对应气体的浓度。

图2:基于F-P的H-LITES相位解调系统结构示意图。Light: Advanced Manufacturing 4, 23(2023).

分别使用电解调和F-P解调方法得到了基于F-P的H-LITES信号,结果验证了采用基于FPI的外差相位解调方法拥有更高的信噪比,可以获得更好的检测性能。

后续采用F-P强度和相位解调方法研究了基于FPI的H-LITES传感器的功率响应和波长响应。当使用强度解调方法时,峰峰值与探测激光功率呈线性关系,易受到激光功率波动的影响。峰峰值信号随波长呈余弦函数变化,只有当波长位于Q点时,传感器才能获得最佳灵敏度。当采用相位解调方法时,峰峰值在不同功率和波长处近似一致,这意味着相位解调方法不仅不易受到光源扰动的影响,而且随着波长变化,系统灵敏度近似保持一致,无需将波长固定在Q点。在FPI中采用相位解调方法可以从根本上解决由于环境干扰、激光扰动等引起的系统不稳定问题。分别采用强度和相位解调方法对基于F-P的H-LITES传感器的长期稳定性进行了测试。强度解调信号峰峰值随时间逐渐降低,稳定性差。相比之下,相位解调信号峰峰值近似保持不变,具有良好的系统稳定性。

该研究在高灵敏度LITES技术的基础上,致力于解决高功率下热噪声显著影响传感器探测极限的问题,有效地结合了F-P腔提升了系统的信噪比。针对传统F-P腔强度解调方法中存在的不稳定、易受环境和光源扰动的影响,提出了一种外差相位解调的方法,并在实验中验证了该方法不仅对光源扰动免疫,而且可以从根本上解决由环境干扰引起的Q点漂移问题。该成果有望在高灵敏度LITES气体传感、F-P腔传感器等相关领域中起到重要的作用。(来源:先进制造微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.37188/lam.2023.023

 
 
 
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