探测器的响应特性及对连续波腔衰荡技术测量的影响

对近红外探测器PDA400的响应特性进行了测试,并就探测器响应特性对连续波腔衰荡法腔损耗测量结果的影响进行了理论分析和实验研究.通过求得的探测器线性响应情况下的响应函数,推导出衰荡信号输入时探测器的输出信号线形,发现原本应呈单指数衰减的信号变为了双指数衰减.根据探测器响应时间的测试结果,针对PDA400探测器增益设置为20 dB,40 dB两种典型情况下的衰荡信号拟合进行了研究.提出了针对不同探测器增益设置(不同响应时间)时的衰荡信号数据处理方式,并进行实验验证,消弱了探测器响应特征对腔损耗测量结果的影响.最后就探测器非线性响应情况下的衰荡数据处理作了讨论.     

用于连续波腔衰荡法测量的LD驱动电路设计

为了将半导体激光器应用于连续波腔衰荡法腔损耗测量,设计了半导体激光器的驱动电路.该电路由调制、驱动、温控等模块组成,在采用多光束干涉理论对连续波腔衰荡法测量原理进行分析和数值模拟的基础上,提出了驱动电路各模块的参数要求,对该电路各参数进行测试后,应用该电路建立了连续波腔衰荡法腔损耗测量系统,并进行了实验.经测试得知,在保证半导体激光器安全工作的前提下,该电路对于半导体激光器的关断时间约为60ns,对半导体激光器的温度控制精度优于0.01℃;对某单程腔损耗约为50×10-6的衰荡腔测试表明,腔损耗测量精度优于1%.结果表明,该电路达到理论设计要求,可应用于高精度腔损耗测量.     

腔长变化对连续波腔衰荡技术测量的影响

为了阐明腔长变化对测量的影响,在考虑入射光源光谱线宽的情况下,采用腔衰荡法和多光束干涉等有关理论,就两种极限情况下腔长变化对连续波腔衰荡法测量的影响进行了分析和数值模拟,并据此讨论了一般情况下腔长变化给测量带来的影响。分析表明,腔长变化主要使衰荡腔谐振频率变得不稳定,从而使得衰荡腔出射光功率及其衰荡特征发生变化,进而给测量带来严重误差,这将为分析该技术测量误差来源以及提高其测量精度提供理论指导。     

连续波腔衰荡吸收光谱技术中的模式匹配研究

对比了波长调制和腔长调制两种方式实现模式匹配的性能特点,通过测量空腔衰荡时间并进行Allan方差分析,得到两种调制方式的衰荡时间分别为（5.239±0.077）μs和（5.252±0.058）μs,该系统的吸收系数检测限为10^-10量级。对于甲烷气体浓度,通过步进式改变入射激光的波长,描绘了甲烷气体的吸收谱线,其检测限可达10^-9量级。利用波长调制和腔长调制方式得到环境中甲烷气体的浓度分别为1.868×10^-6和1.870×10^-6。实验结果表明,虽然波长调制和腔长调制均能实现模式匹配,完成痕量甲烷气体的测量,但是通过对比可知：腔长调制方式具有更高的测量精度和更低的浓度检测限;波长调制方式发挥了可调谐激光器的优势,结构相对简单,无需压电陶瓷等附加的机械结构。因此,在实际应用中可根据需求在测量性能和装置复杂度及成本之间进行取舍。     

模式失配对连续波腔衰荡技术测量的影响

对连续波腔衰荡技术中的模式失配对测量结果的影响进行了理论分析和实验研究。在腔菲涅耳数较大时,基于高斯光束的参数q变换规律及模式耦合有关理论,分析和模拟了引起模式失配的两个主要因素——光束半径失配和相前曲率失配对一般稳定腔连续波腔衰荡法测量的影响,并进行了实验验证。结果表明,当腔的菲涅耳数较大时,模式失配主要影响无源腔出射光功率的大小,而对其衰荡特征影响不大。在同等模式耦合条件下,选择功率大的光源及聚光面积大的探测器有利于提高测量精度。     

腔衰荡技术应用中的快速数据拟合

数据拟合是腔衰荡技术应用中极其关键的一个步骤,因为它一定程度上决定着腔损耗测量的精度和速度.在连续波腔衰荡技术应用中,探测器实际测得的信号并非理想的单指数衰减,而是表现为单指数衰减项和常数项之和.这种非线性模型的拟合常采用牛顿法或其改进法等非线性拟合方法进行,但这些方法计算量大、速度缓慢,而且还需要良好的初始条件.针对这种情况,在分析实际连续波腔衰荡信号的特点的基础上,本文对连续波腔衰荡数据拟合中的若干问题(模型建立、数据预处理等)进行了研究,采用加权最小二乘法来拟合线性化处理后的腔衰荡信号.实验表明,该拟合方法在减少运算量、提高拟合速度(至少6倍)的同时,能保证其拟合结果与非线性拟合结果之间误差不超过0.01ppm.     

基于腔反射光控制的腔衰荡光谱测量实验研究

腔衰荡光谱(CRDS)技术是一种高灵敏的激光吸收光谱技术,它实现的关键技术是在腔内激光强度达到一定值时,迅速将激光关断来探测光强的衰减信号.在激光与腔共振时,腔的反射信号迅速减小可以产生低电平来触发由TTL信号控制的声光调制器(AOM)关断激光,从而实现CRDS.在关断激光后用快速响应探测器对腔的衰荡信号进行探测,用L...     

腔衰荡法四腔镜反射率及腔内吸收测量

利用腔衰荡四腔镜轮换的方法 ,在常态下测得了四腔镜的反射率 ,同时得到了腔内对测量光的吸收损耗     

光腔衰荡法的单波长反射率测量实验研究

分析了反射率光腔衰荡法测量原理的近似条件,讨论了共焦腔的失调特性,计算了腔镜反射率对衰荡信号的影响。在此基础上,为减少OPO激光束的衍射损耗引入的测量误差,选择He-Ne激光作导引光,建立以共焦腔为衰荡腔的单波长反射率测量装置。利用直腔和折叠腔对腔镜和插入镜片的反射率进行了实验测量。直腔方式下测量的均方差小于6×10-6。分析表明,光腔衰荡法只适用于高反镜反射率的测量;在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器,可以提高测量精度。     

脉冲腔衰荡技术探测气溶胶消光系数的研究

为了高灵敏度地测量气溶胶消光系数,采用高反射率腔镜以及脉冲腔衰荡的方法,搭建了气溶胶消光系数检测装置。对不同条件下的实际大气进行了测量,对实验结果进行了分析和研究,并与国内外研究成果进行比较。结果表明,由实验装置测量的腔衰荡时间大于40s,稳定性优于0.3%,探测灵敏度大于1.810-7m-1。高反射率腔镜及脉冲腔衰荡方法在研制高灵敏度气溶胶消光系数检测装置中具有较强的可行性。     

衰荡光腔中腔镜倾斜分析

分析了衰荡腔中腔镜倾斜产生的腔长失调和单程损耗因子变化,根据失调腔矩阵分析方法并参照实验参数,建立了腔镜角度失调下反射率测量的理论模型.利用该模型,模拟了不同腔镜倾斜量下的衰荡信号波形,分析了波形变化的原因,研究了测量精度与腔镜倾斜量的关系.分析表明,腔镜微小倾斜产生的衍射损耗的变化可以忽略,但导致的腔长变化和衰荡光斑漂移,会限制测量的精度.将衰荡波形的变化用于腔镜角度的精确调节中,可以提高该测量精度.     

探测器孔径大小对衰荡腔测量精度的影响

为了研究光腔衰荡光谱法的反射率测量精度,分析了腔长失调对衰荡腔模式影响。在此基础上,根据高斯光束空间传输表达式,推导了在一定腔长失调条件下,探测器孔径与衰荡脉冲信号的关系式。并利用数值模拟,分析了衰荡腔测量精度与探测器孔径大小的关系。结果表明,探测器孔径越大,测量的相对误差越小。     

基于光腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光性质研究

通过自主研发的基于光腔衰荡光谱技术的气溶胶消光仪,对昆山的大气气溶胶的消光性质进行观测试验,并研究了相对湿度对气溶胶消光系数的影响。观测结果表明：监测点的大气气溶胶消光系数较高,且日变化在早晨7点出现最高值,至下午17点达到最低值后开始回升,其主要是由气象条件及周边的强污染源的影响造成的。此外,气溶胶亲水特性实验表明,监测点的大气气溶胶多为污染海洋型,受周围环境的相对湿度的影响较大。该研究结果为后期结合气溶胶质谱等其它监测仪器对该地大气气溶胶性质进行进一步观测研究具有一定的指导意义。     

基于腔衰荡光谱技术的三参量同时测量光纤微腔传感器

提出并实现了一种基于腔衰荡光谱(CRDS)技术的三参量同时测量的光纤微腔传感器。利用高频CO2激光脉冲技术在1 060nm单模光纤(SMF)上直接刻蚀光学微腔,并将其作为传感单元接入到光纤环谐振腔中,通过测量脉冲激光衰荡时间实现了对温度、折射率和应变3个不同参数的同时传感测量。整个传感器系统采用光时分复用(OTDM)技术,3个带有光纤微腔传感单元的光纤衰荡腔并联连接,共用一个光源和探测器,在3路光纤环中引入不同的相位调制项,使其输出的衰荡信号在时域上有效的分开,从而达到三参量传感的目的。传感器结构合理,可操作性强,后期数据处理工作简单易行,实验结果重复性良好。在此基础之上,可以将此传感器结构推广到四参量,甚至更多参量的传感器系统中。     

Continuous-wave cavity ring-down technique for accurate measurement of high reflectivity

A continuous-wave cavity ring-down (CWCRD) technique employing a broadband diode laser is developed for high reflectivity measurement. The theory of square-wave modulated CW-CRD is presented. The spectrum of the broadband CW diode laser covers numerous free spectral ranges (FSRs) so that sufficient laser power is coupled into the cavity. Both amplitude and phase-shift of the first harmonic of the CRD signal,measured at an appropriate frequency range, are detected by a lock-in method and fitted to obtain the ring-down time and reflectivity. The measurements are repeated with five different cavity lengths and all the fitted reflectivities are in excellent agreement, indicating a high reliability of the CW-CRD technique. The reflectivity of the cavity mirror is determined statistically to be 99.70%,with an uncertainty of 0.01%.