高压放大器基于线性F-P腔在CH4气体检测中的应用

实验名称：OF-CEAS中线性F-P腔在CH4气体检测中的应用

研究方向：甲烷(CH4)作为一种重要的温室气体，实现CH4气体的在线高灵敏度检测对人类的生产生活有着重要的意义。使用OF-CEAS测量大气CH4浓度不仅可以实现高灵敏度、高精度的检测，同时可以避免大气中H2O和CO2等干扰气体的影响。本章介绍基于线性F-P腔OF-CEAS技术的CH4检测系统，实验搭建基于线性两腔镜F-P谐振腔，选取中心频率为1.65μm的DFB激光器作为光源，使用衰减片实现对反馈光强的调节，使用水平位移台和压电陶瓷调整激光器到F-P腔的距离。

测试设备：高压放大器、函数发生器、半导体激光器、压电陶瓷等。

实验过程：

图1：基于线性F-P腔的OF-CEAS原理图

如图1所示，搭建了一套基于线性F-P腔的OF-CEAS系统。系统采用中心波长为1.65μm的连续单模输出半导体激光器，其最大输出功率为10mW。将激光器安装在一个二维平移台上，用来实现水平位置的调节。使用激光驱动控制器控制激光器的温度及注入电流，并设置其温度为26℃，中心电流为75mA。函数发生器控制输出频率为10Hz，幅度为200mV的三角波信号实现激光器出光波长的连续调谐。激光器输出光束分为两部分，一束光经耦合器传输到波长计中，实现激光频率监视；另一束光经过衰减片、两块反射镜以及匹配透镜后耦合到光学腔中，其中衰减片可以用来调节通过激光的光强进而改变反馈率。在靠近F-P腔的反射镜后面安装压电陶瓷，其在有高电压输入的条件下可以实现长度的有规律改变，使用高压放大器来产生高压电流。

实验结果：

图2：N2背景下线性腔透射信号

如图2所示，为实验中得到的在腔体中充入一个大气压N2气体得到的无吸收情况下的透射腔模信号。图中每个单一的透射腔模型状均为“拱门型”，此时腔模加宽，左右对称，说明反馈相位和反馈率等基本符合实验要求。

图3：气压689.2Torr下20ppmCH4气体吸收信号

图3为在腔体中充入一个大气压CH4得到的CH4气体OF-CEAS吸收光谱信号。此时三角波扫描频率为10Hz、扫描幅度为200mV，对应激光器的频率调谐范围约为6046.1-6047.5cm-1。在扫描的过程中，DFB激光器可以锁定到86个连续的腔模，得到CH4吸收信号大约覆盖了24个FSRs。

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图：ATA-2042高压放大器指标参数

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