實驗名稱：傳感系統的性能測試

測試設備：高壓放大器、函數發生器、低通濾波器、鎖相放大器、光電探測器、電腦等。

圖1：腔增強光聲傳感系統。f-EOM，光纖耦合電光調制器；f-AM，光纖耦合LiNbO3強度調制器；L1，模式匹配透鏡；λ/2，半波片；PBS，偏振分束棱鏡；λ/4，四分之一波片；L2和L3，聚焦透鏡；PD，光電探測器；SG，函數發生器；LPF，低通濾波器；PID，比例積分微分控制器；HV，高壓放大器；LIA，鎖相放大器；PC，電腦

實驗過程：

為了驗證所搭建的腔增強光聲傳感系統的性能，我們選擇乙炔（C2H2）氣體作為待測氣體，并選取C2H2分子位于1530.98nm處的吸收線作為目標探測線，C2H2分子在此處的吸收線強度為4.00×10-21cm?molecule-1。對乙炔氣體的實時監測在化工生產、電力系統、工業過程控制等多個領域都有著十分重要的意義。實驗中首先通過波長計測量回音壁模式激光器的出射波長，并通過調節激光器控制軟件和掃描電流使出射波長能掃描過所選擇的氣體吸收線。然后使用PDH鎖頻技術將激光器的出射波長鎖定在腔模的正中心，由于此實驗中我們主要關注的是光學腔的使用對光聲信號的放大倍數，所以無需保證激光器的出射波長在氣體吸收譜線的正中心，只需使激光器的出射波長在氣體吸收譜線的展寬范圍內即可。為了產生光聲信號，一個光纖耦合LiNbO3強度強制器被用來對激光的強度進行調制，高壓放大器產生一個直流偏置和信號發生器（SG3）產生一個占空比為50%的方波來驅動強度調制器工作。該強度調制器能提供20dB的直流消光比，滿足本實驗中強度調制的需求。SG3產生的方波頻率設為光聲池的共振頻率1781.0Hz。由于強度調制和光纖耦合器件對光功率的損耗，導致入射到光學腔前的功率為0.7mW。麥克風探測到的信號經過自制的差分放大電路后進入到鎖相放大器，SG3輸出的TTL信號作為參考信號，鎖相放大器工作在1-f解調模式，時間常數設置為1s，濾波斜率設置為12dB/oct，相應的探測帶寬為0.25Hz。鎖相放大器解調后的信號被電腦上自編的LabVIEW程序實時采集和處理。一瓶500ppm標準濃度的C2H2氣體和一瓶純氮氣（N2）通過氣體稀釋系統來產生不同濃度配比的C2H2/N2混合氣體。

實驗結果：

圖2：(a)激光器的掃描電壓信號；(b)光學腔的透射光信號；(c)誤差信號

腔模信號與誤差信號測試中，為了觀察光學腔的模式，實驗中用信號發生器（SG1）產生一個頻率為10Hz的三角波來掃描激光器的出射波長，并且為了使波長掃描范圍能覆蓋到一個完整的自由光譜區（FSR）（~0.9GHz），三角波的正負峰值通過一個高壓放大器放大到±40V。激光器的掃描電壓信號、光學腔的透射光信號和誤差信號分別展示在圖2(a)、(b)和(c)中。通過圖2(b)可以獲得FSR與腔模線寬的比值，通過可以計算出腔內的功率增強因子為175，也就意味著，在未達到吸收飽和效應的情況下，使用光學腔比未使用光學腔時所獲得的光聲信號在理論上應該強175倍。

圖3：有無光學腔的光聲信號對比圖

有無光學腔的光聲信號對比測試中，為了對比光學腔對光聲信號的增強效果，實驗中將標準濃度500ppm的乙炔氣體充入到氣室內，實驗均在大氣壓和室溫下進行，獲得了使用光學腔（腔增強光聲傳感器）和不使用光學腔（傳統光聲傳感器）兩種情況下的光聲信號，如圖3所示，從實驗結果可以得出光學腔的使用使光聲信號從44.3μV增強到7366.8μV，即光聲信號增強了166倍。考慮激光到光學腔的耦合效率為~95%，而理論上的信號增強倍數為175，因此，實驗上獲得的光聲信號增強倍數與理論計算值一致。

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審核編輯 黃宇