利用腔衰蕩系統探測C2H2在1520nm處的吸收峰 - 筱曉光子AOL實驗室⑧

2023-01-06 14:36:25

在上一期，我們成功測量了10ppm的CH4氣體在1653.7nm的吸收峰，但是用空腔衰蕩時間5.864us，計算得到1550nm的高反鏡在1653.7nm只有99.97%的反射率，不足以體現這個系統的性能。所以，我們更換了一個1520nm的C2H2吸收峰去探測。下圖為探測C2H2衰蕩信號時的實拍圖。系統結構和上期測CH4氣體相同，只是更換了1550nm的AOM，同時嘗試用自制的激光器驅動替代Thorlabs的ITC4005驅動。

首先，我們在HITRAN數據庫中比對C2H2和H2O的吸收峰，尋找一個幾乎不受水峰干擾乙炔吸收峰。盡管水峰在這個波長范圍的吸收系數比乙炔少了好幾個數量級，但是在腔衰蕩系統中都測到了很強的吸收峰，困擾了我們很多天，最后才排查出是水峰的影響。最后，選擇了6578.56 cm-1（1520nm）作為測試點，這也是局限于我們的DFB激光器的波長調諧范圍，無法調到左邊那個更好的吸收峰。

同時對上一期的腔衰蕩系統結構示意圖做出更正： 腔兩端的兩個通氣口是用于氣體進出，中間的端口是用于連接溫度傳感器或壓力傳感器的，而非排氣口，更正完的示意圖如下。

通入足量C2H2后，我們先TDLAS的方法確定了該吸收峰的大致位置，此時激光器的溫度調節為36.5℃，電流掃描范圍為36mA~48mA。然后以1mA為測量間隔，分別測量該電流區間內的腔衰蕩時間，得到吸收曲線如下圖所示，吸收點的衰蕩時間為9.8us。

開腔靜置兩天后，在吸收點的位置再測一次衰蕩時間，得到的結果為27.78us，計算得到腔鏡反射率為99.994%，如下：

查詢HITRAN，得到該吸收峰的吸收系數為130，代入公式：

得到C2H2物質的量分數為1.693ppm，但是氣體標定的指標是2ppm。目前，我們推測有三種可能：

1）氣體的標定值不準；

2）靜置兩天后測得的27.78us不是真正的空腔衰蕩時間，仍然受到其他分子氣體（水分子）的干擾，我們將會使用抽氣泵，盡可能的將諧振腔做到真空，再測量空腔衰蕩；

3）激光器驅動的電流噪聲大。一個采集點的衰蕩時間可能是好幾個不同縱模位置的衰蕩時間的平均，這導致整體的吸收峰在頻域上被展寬，但是吸收峰的深度變小。我們下期將會使用低噪聲驅動進行比對。不過，電流噪聲在調節系統時反而有一個優點，相當于激光器一直處于一個噪聲信號的頻率調制，使得激光的抖動范圍大于一個FSR，調節腔衰蕩系統的時候不需要考慮縱模匹配，總是能采集到衰蕩信號。

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