基于WM的离轴积分腔输出光谱技术研究.docVIP

  基于 WM 的离轴积分腔输出光谱技术研究 姚叡，单明广** （哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,哈尔滨 150001） 5 10 15 20 25 30 35 40 摘要：为了进一步提高传统吸收式光纤气体传感器的探测灵敏度，采用高精细光学谐振腔的 反射型气室，使有效吸收光程大大增加，从而提高检测灵敏度。通过将激光光束离轴注入光 学谐振腔中，可以消除腔的膜式噪声。本文分析了积分腔输出光谱技术的理论模型和离轴方 式的优点，并且结合波长调制（WM）技术进一步提高信噪比。最后仿真分析了结合 WM 的离轴积分腔输出光谱技术的噪声情况。 关键词：光学工程；波长调制；积分腔；离轴 中图分类号：TN29 The research of off-axis integrated cavity output spectroscopy based on WM YAO Rui, SHAN Mingguang (College of information and communication engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001) Abstract: In order to further improve the detection sensitivity of traditional absorption optical fiber gas sensor, this paper uses the high finesse cavity to considerably increases the distance of light transmission, which can improve detection sensitivity. By pouring laser into the high finesse cavity in an off-axis way, can reduce the noise contributions from cavity’s resonance fluctuation. This paper explores the theoretical mode of integrated cavity output spectroscopy and advantages of off-axis mode. Besides, sensitivity enhancement of using wavelength modulation (WM) is analyzed. This paper also analysis that the maximum SNR enhancement will be attainable by the application of WM in off-axis integrated cavity output spectroscopy spectrometers. Key words: optical engineering; wavelength modulation; integrated cavity; off-axis 0 引言 为了提高传统吸收式光纤气体传感器的探测灵敏度，从增强信号或抑制噪声的角度发展 了许多新技术。现在比较常用且效果明显的噪声抑制方法主要有调制光谱技术。信号增强的 方法主要有长程吸收和高精细腔光谱技术等等。腔 衰荡吸 收光谱（ cavity ring-down spectroscopy, CRDS）和腔增强吸收光谱（cavity enhanced absorption spectroscopy, CEAS）是 基于高精细光学腔提出的，能够有效提高吸收路径的新方法。积分腔输出光谱技术（integrated cavity output spectroscopy, ICOS）与 CEAS 原理相同。离轴积分腔输出光谱（off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS）技术采用周期性破坏腔的共振，实现不同频率光强平 均透过，利用透过腔的时间积分光强分析浓度信息，与传统的直接吸收光谱类似。ICOS 系 统具有分辨率高、响应迅速、结构简单、受外界环境干扰较小，光路调节更加简单等优点[1]。 结合波长调制（wavelength modulation, WM）技术测量二次谐波峰值信号，可进一步提高系 统的信噪比。本文分析了 OA-ICOS 的原理，仿真分析了基于 WM 的 ICOS 系统的噪声水平， 说明在高精细光学腔技术中应用波长调制可以有效提高系统的信噪比。 作者简介：姚叡(1988-),女,硕士,光电检测 通信联系人：单明广(1