利用上一期搭建的腔衰荡系统,我们成功测量了10ppm的CH4气体在1653.7nm的吸收峰,同时通过空腔衰荡时间计算出的腔镜反射率和腔镜指标符合,进一步验证了该腔衰荡系统的可用性和可靠性。
下图为筱晓光子的CRDS测量结构:1653 nm的DFB激光二极管由Thorlabs的ITC4005驱动,二极管工作温度控制在40℃,电流37~45mA。将输出的激光接在AOM上,用于在衰荡触发的时候关闭激光输入,以免影响衰荡结果。使用可调准直器(CFC8A-C)将经过AOM的激光准直空间输出,通过调节准直器和谐振腔的距离以及准直器内透镜和光纤的距离,使得激光准直输出后的束腰半径和束腰位置符合理论计算值。
谐振腔由一对曲率半径为1m,反射率>99.99%的高反镜组成,使用橡胶圈与气室密封,气室长度为0.5m。气室有两个输入口一个输出口,可用于控制不同气体的输入输出。PD探测器用于探测输出光信号,并实时传输到示波器。在示波器内设置trigger out,当PD探测器探测到电压信号达到设定阈值后,向AFG输出一个trigger信号。AFG中预先设置好一个反相脉冲信号,一旦被触发,便会向AOM Driver输出0V的电平,持续100us,然后又恢复到5V电平,等待下一次触发。在这100us的0V电平控制下,AOM Driver不会给AOM提供100M射频信号,AOM会处于关闭阶段,用示波器记录这一次衰荡波形,可以平均100次左右,保存一个波形,进行拟合分析。下图是37mA时(此时激光波长不在CH4的吸收峰上),腔衰荡信号的一次拟合分析,拟合函数为:y = a*exp(-x/t)+c,参数t就是拟合的衰荡时间。从图中可以看到,拟合的t为5.864us。由于我们使用的高反镜是1550nm中心的,在1653.7nm处的反射率达不到99.99%的指标,用5.864us的衰荡时间可以推出,1550nm高反镜在1653.7nm的发射率约为99.97%,符合1550nm高反镜在1653.7nm的反射率。为了达到更高的测量灵敏度,可以更换1650nm中心的高反镜。不过本次测量的CH4浓度是10ppm,99.97%已经有较为明显的吸收峰。以1mA为测量间隔,从37~45mA逐个采集衰荡曲线(事先已经用直接吸收法确认过,吸收峰在这个电流范围内),并分别拟合衰荡时间,绘制出了CH4的吸收曲线如下,可以看出10ppm的吸收已经非常明显。