高压放大器在腔增强光声传感系统性能测试中的应用

实验名称：传感系统的性能测试

测试设备：高压放大器、函数发生器、低通滤波器、锁相放大器、光电探测器、电脑等。

图1：腔增强光声传感系统。f-EOM，光纤耦合电光调制器；f-AM，光纤耦合LiNbO3强度调制器；L1，模式匹配透镜；λ/2，半波片；PBS，偏振分束棱镜；λ/4，四分之一波片；L2和L3，聚焦透镜；PD，光电探测器；SG，函数发生器；LPF，低通滤波器；PID，比例积分微分控制器；HV，高压放大器；LIA，锁相放大器；PC，电脑

实验过程：

为了验证所搭建的腔增强光声传感系统的性能，我们选择乙炔（C2H2）气体作为待测气体，并选取C2H2分子位于1530.98nm处的吸收线作为目标探测线，C2H2分子在此处的吸收线强度为4.00×10-21cm∙molecule-1。对乙炔气体的实时监测在化工生产、电力系统、工业过程控制等多个领域都有着十分重要的意义。实验中首先通过波长计测量回音壁模式激光器的出射波长，并通过调节激光器控制软件和扫描电流使出射波长能扫描过所选择的气体吸收线。然后使用PDH锁频技术将激光器的出射波长锁定在腔模的正中心，由于此实验中我们主要关注的是光学腔的使用对光声信号的放大倍数，所以无需保证激光器的出射波长在气体吸收谱线的正中心，只需使激光器的出射波长在气体吸收谱线的展宽范围内即可。为了产生光声信号，一个光纤耦合LiNbO3强度强制器被用来对激光的强度进行调制，高压放大器产生一个直流偏置和信号发生器（SG3）产生一个占空比为50%的方波来驱动强度调制器工作。该强度调制器能提供20dB的直流消光比，满足本实验中强度调制的需求。SG3产生的方波频率设为光声池的共振频率1781.0Hz。由于强度调制和光纤耦合器件对光功率的损耗，导致入射到光学腔前的功率为0.7mW。麦克风探测到的信号经过自制的差分放大电路后进入到锁相放大器，SG3输出的TTL信号作为参考信号，锁相放大器工作在1-f解调模式，时间常数设置为1s，滤波斜率设置为12dB/oct，相应的探测带宽为0.25Hz。锁相放大器解调后的信号被电脑上自编的LabVIEW程序实时采集和处理。一瓶500ppm标准浓度的C2H2气体和一瓶纯氮气（N2）通过气体稀释系统来产生不同浓度配比的C2H2/N2混合气体。

实验结果：

图2：(a)激光器的扫描电压信号；(b)光学腔的透射光信号；(c)误差信号

腔模信号与误差信号测试中，为了观察光学腔的模式，实验中用信号发生器（SG1）产生一个频率为10Hz的三角波来扫描激光器的出射波长，并且为了使波长扫描范围能覆盖到一个完整的自由光谱区（FSR）（~0.9GHz），三角波的正负峰值通过一个高压放大器放大到±40V。激光器的扫描电压信号、光学腔的透射光信号和误差信号分别展示在图2(a)、(b)和(c)中。通过图2(b)可以获得FSR与腔模线宽的比值，通过可以计算出腔内的功率增强因子为175，也就意味着，在未达到吸收饱和效应的情况下，使用光学腔比未使用光学腔时所获得的光声信号在理论上应该强175倍。

图3：有无光学腔的光声信号对比图

有无光学腔的光声信号对比测试中，为了对比光学腔对光声信号的增强效果，实验中将标准浓度500ppm的乙炔气体充入到气室内，实验均在大气压和室温下进行，获得了使用光学腔（腔增强光声传感器）和不使用光学腔（传统光声传感器）两种情况下的光声信号，如图3所示，从实验结果可以得出光学腔的使用使光声信号从44.3µV增强到7366.8µV，即光声信号增强了166倍。考虑激光到光学腔的耦合效率为~95%，而理论上的信号增强倍数为175，因此，实验上获得的光声信号增强倍数与理论计算值一致。

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