高压放大器在气体拉曼光谱检测技术研究中的应用

实验名称：气体拉曼光谱检测装置的设计与搭建

测试目的：开展气体拉曼光谱检测技术的研究，并设计基于光学反馈腔增强技术的气体拉曼光谱检测装置。装置采用可见光二极管激光器作为基础光源，高精细度V型三镜腔作为气体池，通过光谱仪狭缝导入气体的拉曼光谱信号，设置计算机端软件参数，控制光谱仪与CCD相机对信号进行实时观测采集。本章介绍基于V型三镜腔的光学反馈腔增强气体拉曼光谱检测装置的总体结构以及实验环境要求，该装置可划分为三个关键部分，分别是激光控制模块、气体池、外部光路，装置结合波长调制法实现激光频率锁定，保证气体池内激光功率足够高，在气体池的侧面对气体拉曼光谱信号进行收集探测。

测试设备：高压放大器、函数发生器、激光控制器、探测器等。

实验过程：

激光控制模块：该部分的作用一是通过激光控制器控制二极管激光器的温度和电流，使激光器工作在合适的条件下产生功率较高、频率噪声较小的单模稳定运转激光。二是通过函数发生器输出低频扫描信号，以及对激光器的输出电流进行扫描；三是锁相放大器的高频调制信号与函数发生器的低频扫描信号输入到加法器叠加后，再输入到激光控制器扫描和调制电流，控制激光器的最终输出。

气体池：该部分的作用一是作为气体样品池，通过进气口与抽气口控制腔体内部的气体状态。气体池由V型三镜腔构成，包括殷钢腔体、两片平凹腔镜、一片平平腔镜、两片宽带高透射率窗片、进气口、出气口、气压计接口。

外部光路：该部分的作用是将二极管激光器的输出光经过准直、整形，使用刀口法测量光束质量，再进行模式匹配，使得输出光可耦合到由V型三镜腔组成的气体池中，并且当腔的透射光反馈注入激光器时，分别对光学反馈过程中的反馈率和反馈相位进行控制。

图1：锁频模块结构组成

光学反馈注入锁定：本文选择波长调制法进行激光频率的锁定，结构设计如图1所示，包括锁相放大器、PID、高压放大器和压电陶瓷PZT。实验设置锁相放大器输出频率为20kHz，幅度为0.026V，相位为180°的高频正弦调制信号，输送到加法器与函数发生器输出的低频扫描信号相叠加，用于调制激光器的输出，再与V型三镜腔腔模信号混频解调产生误差信号。如图2所示为激光锁频前腔模信号与误差信号，可以看出误差信号存在过零点且斜率为负，零点对应腔模信号的最大值。误差信号输送至PID模块，产生的控制信号连接到与高压放大器，高压放大器的输出再与高反镜后粘贴的压电陶瓷PZT连接。实验中通过高压放大器细调控制压电陶瓷PZT的伸缩使得反馈相位最佳，外部光路精确保持为腔单臂的三倍，腔模信号呈左右对称圆拱状。锁定前先关掉扫描信号，腔内激光保持无规律振荡，设置PID中P为8，I为10的3次方，D为0，此时误差信号的斜坡消除，反馈相位锁定到最佳点。

图2：激光锁频前的腔模信号与误差信号

拉曼光侧向收集光路：基于侧向收集方式设计并搭建拉曼光侧向收集光路，包括凹面镜、聚焦透镜、陷波滤波片、光谱仪、CCD相机以及计算机。

图3：拉曼光侧向收集光路结构

实验结果：

本章重点讨论了基于光学反馈腔增强的气体拉曼光谱检测技术，基于该技术搭建了V型三镜腔的光学反馈腔增强实验装置。装置需保持在恒温、隔震、无光的实验环境中，装置包括三个关键部分，其中激光控制模块控制激光温度并扫描调制激光电流，产生模式稳定的激光，气体池让进入腔内的激光共振干涉增强，并与腔内待测气体介质相互作用，产生气体拉曼散射光，外部光路对二极管激光器输出光进行准直、整形、模式匹配后，并耦合到气体池中，同时气体池的透射光沿原路反馈注入激光器，改善激光器的输出性能。基于波长调制法将腔内激光锁定到腔模顶点，保证腔内激光始终处于最大值，提高腔内拉曼光谱信号的强度。拉曼光侧向收集光路用于收集并分析气体池内部产生的拉曼光谱信号。

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审核编辑 黄宇