利用腔衰蕩系統探測CH4在1653.7nm處的吸收峰 - 筱曉光子AOL實驗室⑦

更新時間：2023-11-28

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利用上一期搭建的腔衰蕩系統，我們成功測量了10ppm的CH4氣體在1653.7nm的吸收峰，同時通過空腔衰蕩時間計算出的腔鏡反射率和腔鏡指標符合，進一步驗證了該腔衰蕩系統的可用性和可靠性。

下圖為筱曉光子的CRDS測量結構：1653 nm的DFB激光二極管由Thorlabs的ITC4005驅動，二極管工作溫度控制在40℃，電流37~45mA。將輸出的激光接在AOM上，用于在衰蕩觸發的時候關閉激光輸入，以免影響衰蕩結果。使用可調準直器（CFC8A-C）將經過AOM的激光準直空間輸出，通過調節準直器和諧振腔的距離以及準直器內透鏡和光纖的距離，使得激光準直輸出后的束腰半徑和束腰位置符合理論計算值。

諧振腔由一對曲率半徑為1m，反射率＞99.99%的高反鏡組成，使用橡膠圈與氣室密封，氣室長度為0.5m。氣室有兩個輸入口一個輸出口，可用于控制不同氣體的輸入輸出。PD探測器用于探測輸出光信號，并實時傳輸到示波器。在示波器內設置trigger out，當PD探測器探測到電壓信號達到設定閾值后，向AFG輸出一個trigger信號。AFG中預先設置好一個反相脈沖信號，一旦被觸發，便會向AOM Driver輸出0V的電平，持續100us，然后又恢復到5V電平，等待下一次觸發。

在這100us的0V電平控制下，AOM Driver不會給AOM提供100M射頻信號，AOM會處于關閉階段，用示波器記錄這一次衰蕩波形，可以平均100次左右，保存一個波形，進行擬合分析。

下圖是37mA時（此時激光波長不在CH4的吸收峰上），腔衰蕩信號的一次擬合分析，擬合函數為：y = a*exp(-x/t)+c，參數t就是擬合的衰蕩時間。從圖中可以看到，擬合的t為5.864us。由于我們使用的高反鏡是1550nm中心的，在1653.7nm處的反射率達不到99.99%的指標，用5.864us的衰蕩時間可以推出，1550nm高反鏡在1653.7nm的發射率約為99.97%，符合1550nm高反鏡在1653.7nm的反射率。為了達到更高的測量靈敏度，可以更換1650nm中心的高反鏡。不過本次測量的CH4濃度是10ppm，99.97%已經有較為明顯的吸收峰。

以1mA為測量間隔，從37~45mA逐個采集衰蕩曲線（事先已經用直接吸收法確認過，吸收峰在這個電流范圍內），并分別擬合衰蕩時間，繪制出了CH4的吸收曲線如下，可以看出10ppm的吸收已經非常明顯。