相敏式激光啁啾色散光譜技術在高吸收度情況下的應用?

丁武文 孫利群

(清華大學精密儀器系,精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084)

相敏式激光啁啾色散光譜技術在高吸收度情況下的應用?

丁武文 孫利群?

(清華大學精密儀器系,精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084)

(2016年12月15日收到;2017年3月22日收到修改稿)

研究了相敏式激光啁啾色散光譜法在高吸收度情況下的應用.用窄頻半導體激光器作為光源,利用一工作于載波抑制模式的鈮酸鋰電光強度調制器調制單頻激光,在單頻激光兩側產生兩個邊頻分量,并通過兩邊頻分量產生外差干涉信號.利用外差干涉的相位波動來測量甲烷氣體位于1653.7 nm附近的折射率波動,通過氣體折射率與吸收系數之間的Kramers-Kronig關系計算甲烷氣體濃度.傳統(tǒng)的波長調制光譜法受限于郎伯-比爾定律,在應用于高吸收度的情況時,存在靈敏度下降的問題,甚至出現(xiàn)隨氣體濃度上升輸出信號反而下降的現(xiàn)象.實驗結果顯示,相同實驗條件下,波長調制光譜法的線性測量范圍為38.1—1500 ppm·m,線性測量的動態(tài)范圍僅為16 dB;而相敏式激光啁啾色散光譜法在很大的吸收度范圍內均具有線性輸出,檢出限低至47.3 ppm·m,線性測量范圍上限為174825 ppm·m,具有超過35 dB的動態(tài)范圍.

可調節(jié)半導體激光吸收光譜法,色散光譜,波長調制光譜,外差干涉

1 引 言

可調諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)法是采用可調諧半導體激光器進行氣體吸收光譜檢測的技術總稱.其中,波長調制光譜(wavelength modulation spectroscopy,WMS)法通常采用一次諧波信號來歸一化二次諧波信號以消除光強波動對測量造成的影響,是TDLAS研究中受廣大研究人員關注的技術之一[1?17].WMS技術是一個魯棒性很強的技術,同時具有高靈敏度、快速響應、抗干擾、非接觸測量、非侵入測量及高選擇性等優(yōu)點,在工業(yè)現(xiàn)場測量[1,2,7,12]、燃燒診斷[3]、氣體遙測[1,4,5],環(huán)境監(jiān)測[6]等工業(yè)及科研領域均得到廣泛研究與應用.WMS技術可應用于氣體的溫度[7?10]、壓強[10]、濃度[1?15]等多參數的測量,配合投影反演算法,還可應用于溫度場及濃度場的分布測量[11,12].

激光啁啾色散光譜(chirped laser dispersion spectroscopy,CLaDS)技術作為TDLAS技術中的一個新興領域,不再基于郎伯-比爾定律,而是從Kramers-Kronig(K-K)關系出發(fā),通過測量氣體吸收導致的折射率波動來進行濃度測量,包括頻率檢測式CLaDS[18?21]及相敏式啁啾色散光譜(phase detection chirped laser dispersion spectroscopy,PD-CLaDS)[22,23]. 其中頻率檢測式CLaDS需要使用價格高昂的高性能實時頻譜儀測量頻率波動,并且其輸出信號與激光器斜坡調制信號的斜率成正比,這就對激光器及激光控制器的調制速率提出了很高的要求,而PD-CLaDS使用鎖相放大器檢測氣體特征吸收峰附近的折射率波動來測量氣體的濃度[18].本文提出的PD-CLaDS技術與現(xiàn)有PD-CLaDS技術不同之處在于我們選擇強度調制器產生的兩個邊帶的干涉信號作為探測信號源,避免了現(xiàn)有PD-CLaDS方案中出現(xiàn)的載波與兩個邊帶產生的兩個同頻但相位不同的干涉信號的互擾問題[23].本文報道的全光纖結構的PD-CLaDS實驗系統(tǒng)工作于近紅外波段,檢測甲烷位于1653.7 nm附近的特征吸收峰.得益于通信領域的相關研究,近紅外波段器件成本低、穩(wěn)定性高,使得實驗系統(tǒng)具有結構緊湊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點.

本文主要關注高吸收度情況下的氣體濃度、吸收線型的精確測量上,高吸收度氣體檢測主要用于高濃度氣體檢測中及長光程氣體測量中.在WMS信號理論分析研究中,在總吸收度小于0.05的弱吸收環(huán)境下,通常使用一階展開來近似透射光強的泰勒級數展開[13].但一階近似嚴重影響氣體測量的精度,尤其在高吸收度的環(huán)境下.為了提高測量精度,同時擴展WMS技術在工業(yè)領域的應用范圍,適應高吸收度應用環(huán)境,采用二階或者更高階展開來描述透射光強的表達式[13],這將導致實驗結果分析的復雜程度上升.從理論仿真及實驗現(xiàn)象中我們發(fā)現(xiàn)WMS的輸出隨著待測樣品總吸收度的增加,不僅存在靈敏度下降的問題,甚至出現(xiàn)“偽”下降的情況,即隨著氣體濃度的上升,WMS技術的輸出結果不僅不增加,反而出現(xiàn)了下降,從而導致高濃度情況下WMS技術測量結果存在不唯一的問題.本文以甲烷為待測樣品,以WMS技術作為對比,研究了PD-CLaDS技術在高吸收度情況下的應用.實驗結果顯示,相同實驗條件下,WMS法的線性測量范圍為38.1—1500 ppm·m.理論仿真及實驗結果顯示PD-CLaDS法在很大的吸收度范圍內均具有線性輸出,檢出限低至47.3 ppm·m,線性測量范圍上限為174825 ppm·m,具有超過35 dB的動態(tài)范圍.相較于WMS技術,CLaDS技術的測量動態(tài)范圍要大很多,從弱吸收環(huán)境至高吸收度情況下均適用.其靈敏度在整個測量范圍內均為常量,這一點在實際應用中具有重要價值.

2 實驗原理介紹

2.1 氣體吸收線型描述

WMS技術以郎伯-比爾定律作為基礎,即一平行光穿過氣體樣品時,透射光與入射光遵循下述關系式:

其中α(ω)是氣體的吸收系數,單位是cm?1;L(cm)是光程長;P(atm)是氣體總壓;χCH4是氣體的濃度(摩爾分數或體積分數,常用體積分數單位為ppm);SCH4(atm?1·cm?2)和φCH4(cm)分別是吸收線強和線型函數.

通常情況下,Vogit線型可以很好地描述較大溫度、壓強范圍下的氣體吸收線型函數φCH4[16],但Vogit并沒有解析表達式.而在本文主要進行的室溫及一個大氣壓的環(huán)境下,使用Lorentz線型描述氣體的吸收即可達到足夠的精度,因而本文選用Lorentz線型來進行吸收線型的描述,吸收系數可以用下式描述:

其中,?ω是吸收線型的半高全寬(FWHM),單位為cm?1;ωc為吸收線型的中心頻率.

2.2 WMS技術原理介紹

WMS技術中,通過測量透射光強來測量氣體的特征吸收,從而進行濃度、壓強等信息的測量.通常情況下對郎伯-比爾定律在弱吸收條件下進行一階的線性泰勒展開,得到較簡單的表達式,但這種簡化過程只適用于總吸收度小于0.05的條件[13,14].本文研究在高吸收度情況下的應用,因而文中不對郎伯-比爾定律進行展開,從而確保獲得無誤差的結論.

WMS技術中,二次諧波信號的峰值信息可以用來進行濃度測量[4,7,15].同時,為了校準光強波動對測量諧波信號幅值的影響,在吸收峰位置處可用二次諧波信號與一次諧波的比值來消除光強波動對吸收信號幅值的影響,即“2f/1f”方法[2].各次諧波信號可以使用下述公式進行計算[5]:

調制深度對二次諧波信號的強度影響很大,通常為了最大化二次諧波信號,按照m=2a/?ω=2.2來優(yōu)化調制參數[17],其中m定義為調制參數,表示調制深度與氣體吸收譜線型FWHM的相對比值,為一無量綱量.

為了簡化描述,引用化簡得到的“2f/1f”信號[3],如下:

其中,i1是對激光器進行正弦調制時的歸一化強度調制系數.由(4)式可知,經過校準后,光強I0被從二次諧波表達式中消去,則光強抖動對測量結果的影響亦被抑制.

2.3 PD-CLaDS技術原理介紹

由K-K關系,復折射率表達式中的實部和虛部之間的關系可以表述為[18,24]

其中,α(ω′)是位于頻率ω′的吸收系數.

當使用Lorentz線型描述氣體的吸收線型時,可以得到氣體的折射率表達式為

其中,sn由氣體的濃度及線型等參數所確定,而且(6)式在任意吸收度情況下均成立.

本文中使用外差干涉儀測相移的方式來檢測氣體樣品引起的相位波動.設外差干涉由光頻率分別為ω0??1和ω0+?1的兩束光產生,當通過光程長度為L的氣體池時,干涉信號表達式經簡化為[23]

其中,Aω0??1和Aω0+?1分別是頻率為ω0? ?1和ω0+?1的兩束光的振幅.

系統(tǒng)中設置了一路具有氣體池的測量路,另一路無氣體池作為參考路.若兩路除了氣體池之外的光路相同時,可以認為參考路引入的φω0??1? φω0+?1=0,則通過比較兩路干涉信號的相位差,即可測出測量路的相位差為

由(8)式可知,通過測量外差干涉的相位波動,即可由(6)和(8)式計算出氣體的濃度.

2.4 高吸收度條件下的仿真實驗

首先根據上述理論分析進行WMS技術在高吸收度條件下的仿真研究,文中吸收度A的定義為A=αL.由(1)式可知,對于待測氣體,在某一溫度、壓強下,氣體的吸收線強SCH4(atm?1·cm?2)和吸收線型函數φCH4(cm)是常數,可以由數據庫HITRAN得到,而與氣體濃度無關.因此可以通過積分濃度Ci(濃度 × 光程長)來表征氣體的吸收度A,且計算過程如下:

其中Ci,0為任意標準氣體的積分濃度,如使用純甲烷(濃度為106ppm),1 cm光程,則Ci,0=106ppm × 0.01 m=104ppm·m,A0= α0L0為對應的吸收度,由HITRAN數據庫可知為0.3125 cm?1× 1 cm=0.3125.

圖1 利用WMS方法得到的在不同積分濃度條件下的(a),(d)吸收度;(b),(e)透射光強;(c),(f)二次諧波信號Fig.1.(a),(d)Absorbance,(b),(e)transmitted intensity and(c),(f)second harmonic signal under di ff erent concentrations.

為了仿真高吸收度條件,仿真研究中氣體總的積分濃度(濃度 × 光程長)范圍為1000—146000 ppm·m.仿真分析時調制參數按照上述最優(yōu)調制參數進行設置,即調制參數m=2.2.圖1給出了不同的積分濃度所對應的吸收度、透射光強及對應的二次諧波信號.從圖1(a)及圖1(d)中可以看到,隨著積分濃度的上升,氣體的吸收度線性地增加,這是由吸收度的定義為吸收系數(與濃度成正比)乘以光程長很容易推出的結論.而圖1(b)及圖1(e)中透射光強與氣體積分濃度的關系由朗伯-比爾定律描述,呈指數衰減趨勢.圖1(c)及圖1(f)中二次諧波信號的仿真結果比較出乎意料:隨著氣體總的積分濃度的上升,二次諧波信號經歷了先上升后下降的過程,即隨著氣體吸收度的上升,二次諧波信號并不是單調的.這就導致WMS技術在進行高吸收度條件下檢測時,會出現(xiàn)“偽”濃度衰減結果,即實際樣品的濃度上升了,但是儀器輸出信號卻下降了,使得進行高吸收度情況下的濃度測量時,WMS存在結果不唯一的問題.該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于實際上二次諧波信號是從透射光強中解調出來的,因此二次諧波信號與透射光強實際線型的FWHM有直接關系.雖然隨著濃度上升,氣體的吸收線型不會發(fā)生變化,氣體吸收度的FWHM因此也不會發(fā)生變化,但是由于透射光強與吸收度之間的關系遵循郎伯-比爾定律定義的指數關系式,則透射光強的FWHM在高吸收度情況下與氣體吸收系數的FWHM有較大差距,導致了偏離最優(yōu)調制參數,從而使得二次諧波信號出現(xiàn)“偽”衰減.圖1(f)示出了調制參數為不同值時歸一化二次諧波信號隨氣體積分濃度的仿真結果,可以看出,不同調制參數m均存在靈敏度衰減及信號“偽”衰減的問題,且調制參數m越大,對應的“偽”衰減濃度限值越高.

在高吸收度的條件下,由(6)和(8)式可以看出PD-CLaDS的輸出信號與氣體的總吸收度是成正比的,圖2(a)是在不同吸收度的條件下PDCLaDS的輸出結果,圖2(b)給出了歸一化相位輸出值隨積分濃度變化的曲線.為了便于對比兩種方法的輸出特性,圖2仿真過程中氣體的參數與圖1的仿真實驗相一致,圖2(b)各積分濃度所對應的吸收度由圖1(d)示出.

圖2 PD-CLaDS在不同吸收度條件下仿真相位輸出結果 (a)分立濃度下的輸出波形;(b)輸出相位與積分濃度的關系Fig.2.(a)Simulation of PD-CLaDS phase output under di ff erent absorbance;(b)normalized peak to peak value as a relation with integrated concentration.

3 實驗系統(tǒng)設計

高吸收度實驗系統(tǒng)如圖3所示.圖中,MZM為鈮酸鋰電光強度調制器調制器.實驗中選擇甲烷位于1653.7 nm附近的特征吸收峰作為檢測目標,并通過溫度控制將分布式反饋(DFB)激光器(NLK1U5EAAA,NEL)的中心頻率調至1653.7 nm目標吸收峰附近,然后通過調制激光器的注入電流來控制激光器的輸出波長.所用DFB激光器具有極窄的線寬(2 MHz),具有足夠高的光譜分辨率.實驗系統(tǒng)只需要切換激光器的注入電流調制信號的模式,即可以在WMS模式和PD-CLaDS模式之間互相切換.

圖3 實驗系統(tǒng)框圖Fig.3.System scheme.

在PD-CLaDS模式下,調制信號為三角波信號(2 Hz,1 V峰峰值),三角波調制信號的目的是將激光器的中心頻率掃過所選擇目標吸收峰.實驗中使用一馬赫-曾德爾調制器(MZM)(PowerBit F10,Oclaro)來對激光器輸出單頻光進行調制.對MZM施加730 MHz的高頻調制信號,并控制偏置電壓,將MZM調整至載波抑制模式.激光器輸出單頻光經過MZM調制,產生兩個邊帶,兩邊帶與載波的頻率差為730 MHz.在載波抑制模式下,相對于邊帶,載波的強度很小,基本可以忽略.之后激光由分束器1分成光強相等的兩束光:其中測量通道光經過樣品氣池、分束器2后大部分光能量(95%)到達探測器2(DET08CFC/M,Thorlabs),產生測量通道干涉信號,干涉信號由兩邊帶干涉產生,頻率為1460 MHz;參考通道與測量通道具有等長的光纖,干涉光在探測器3處產生頻率亦為1460 MHz的參考通道干涉信號.由于兩路干涉信號的頻率均較高,無法直接進行相位檢測,所以與一頻率為1459.9 MHz的參考源進行下混頻,得到頻率為100 kHz的參考信號和測量信號,之后使用鎖相放大器(LI 5640,NF)進行相位差的測量,得到PD-CLaDS的相位信號輸出.使用LabVIEW開發(fā)的上位機可以控制數據采集卡(NI 6341,National Instruments)對信號進行采集及數據處理.

在WMS調制模式下,調制信號是掃頻三角波(2 Hz,1 V峰峰值)的基礎上疊加正弦波(1 kHz,0.15 V峰峰值),同時關閉MZM的調制信號,激光穿過充滿待測樣品的樣品氣池后部分光能量(5%)到達探測器1(DET410,Thorlabs).使用數據采集卡對探測器1的信號進行采樣后由LabVIEW開發(fā)的上位機程序進行諧波信號解調,得到WMS的信號輸出.

4 實驗結果與分析

4.1 不同吸收度情況下WMS與CLaDS的對比實驗

為了對比在不同吸收度情況下WMS與PDCLaDS的儀器響應,需要不斷改變吸收氣池里面的氣體濃度.由于實驗中所用氣體吸收池的總光程是確定的,為17.5 cm,則改變甲烷濃度即可以改變氣體池中的總吸收度.實驗中改變氣體吸收池氣體濃度的方法是首先將氣體吸收池抽成真空,將濃度為99.9%的甲烷充入到氣體吸收池里面,然后觀察壓力表,控制充入甲烷標準氣至不同分壓值,然后充入氮氣作為平衡氣,將吸收池總體壓力調整至一個標準大氣壓.如通入甲烷標準氣至0.2個大氣壓,再通入0.8個大氣壓的氮氣作為平衡氣,則可認為氣體吸收池中甲烷的濃度為19.98%≈20%.通過該方法可以制得不同濃度的甲烷樣品,然后根據HITRAN數據庫即可以計算出不同濃度所對應的吸收度.分別使用系統(tǒng)的WMS模式和PDCLaDS模式測量吸收氣池中的氣體濃度,使用兩種測量技術各采集記錄200個數據點.重復上述過程,則可以得到不同吸收度情況下WMS模式和PD-CLaDS模式的儀器輸出情況.其中,WMS和PD-CLaDS輸出結果均使用各自最低濃度時的輸出值來進行歸一化,以利于比較二者在弱吸收度情況下的輸出響應.圖4示出了甲烷濃度從高至低梯度變化的情況下WMS與PD-CLaDS歸一化后的輸出信號.從圖4可以看出:開始的幾個處于高濃度的梯度,可以非常清晰地看到PD-CLaDS技術的梯度輸出變化,而WMS的輸出變化微弱,且結果先增大后減小;實驗的后幾個低濃度梯度,WMS與PD-CLaDS的輸出梯度相一致,即在低吸收度情況下,二者具有相當的輸出響應.

圖4 不同濃度條件下WMS與PD-CLaDS實驗數據,實驗過程中濃度呈梯度逐漸降低,每個濃度梯度采樣200個點Fig.4.Comparison of WMS and PD-CLaDS under different concentrations.

圖5是根據圖4中的實驗結果繪制出的儀器輸出平均值與樣品吸收度的關系,其中吸收度是使用樣品的積分濃度基于HITRAN數據庫中吸收系數計算得出.從實驗結果中可明顯看出,隨著氣體吸收度的上升,WMS技術的輸出呈現(xiàn)上升趨勢變緩再轉為衰減的變化,與前述理論仿真結果相符.而CLaDS的輸出近似為一直線,也驗證了仿真中對CLaDS輸出特性的描述.

圖5 不同吸收度情況下歸一化幅值與氣體吸收度的實驗結果Fig.5.Normalized amplitudes of WMS and PD-CLaDS with di ff erent calculated absorbance.

4.2 PD-CLaDS實驗系統(tǒng)校準實驗

采用標準濃度氣體來對儀器輸出進行校準.實驗過程中使用了一長一短兩個氣體吸收池,吸收氣池長度分別為4.5 cm和17.5 cm.通過使用不同濃度的標準氣體配合不同光程的吸收池,可以得到不同吸收度的氣體樣品,如表1所列.

具體實驗過程中為了精確校準實驗系統(tǒng)的輸出值,首先對氣體吸收池進行抽真空處理.實驗中所用真空泵可以達到的極限真空度為0.06 Pa,此時我們可以近似認為氣體池內不含甲烷氣體.然后使用不同濃度的標準甲烷氣體填充吸收池至一個大氣壓,則測量光路過程中充滿了標準濃度的甲烷標準氣體.在對實驗系統(tǒng)進行標定時,取PDCLaDS輸出信號的峰峰值作為我們標定的數據源.圖6是序號為10的樣品所對應的實驗結果及使用Lorentz函數描述吸收線型的擬合結果.其中實驗結果為三角波上升沿和下降沿測量結果的平均值,擬合結果R2=0.999.從實驗及擬合結果可以看出,在一個大氣壓的環(huán)境下,使用Lorentz線型來對氣體吸收線型進行描述具有足夠的精度.

圖6 PD-CLaDS實驗輸出波形及擬合曲線Fig.6.The experimental results of PD-CLaDS and best fi tting with Lorentz.

圖7 PD-CLaDS輸出標定實驗結果及擬合結果Fig.7.The calibration results of PD-CLaDS and best linear fi tting.

表1 PD-CLaDS校準實驗所用樣品配置表Table 1.Standard samples for PD-CLaDS calibration.

圖7示出了PD-CLaDS在表1中所示不同標準濃度下的測量結果的峰峰值.圖7中橫坐標為樣品的積分濃度,縱坐標為PD-CLaDS的輸出相位信號峰峰值.從對實驗結果進行線性擬合的結果可以看出,PD-CLaDS的相位輸出結果與樣品積分濃度在超過2個數量級的變化范圍內均成線性關系.這使得PD-CLaDS在很多應用上有巨大的優(yōu)勢.基于PD-CLaDS的氣體濃度測量方法,具有線性的響應輸出,在任意吸收度條件下均具有一致的測量靈敏度,避免了WMS測量方案在高吸收度情況下出現(xiàn)的靈敏度下降及濃度“偽”衰減問題.

4.3 線性測量動態(tài)范圍上限

從4.1節(jié)的實驗內容及2.4節(jié)的理論仿真結果可以看出,基于吸收強度檢測的WMS在高吸收度條件下存在靈敏度下降的問題,隨著吸收度的進一步增加,更是存在“偽”衰減的問題.為保持WMS的輸出信號與濃度成線性關系,需要控制WMS測量的氣體總吸收度小于0.05,對應于氣體積分濃度約小于1500 ppm·m.

但是從4.1及4.2節(jié)的實驗結果及2.4節(jié)的理論仿真結果中可以發(fā)現(xiàn),PD-CLaDS技術的輸出一直與氣體的積分濃度成正比,亦即與待測樣品的總吸收度成正比,在光程長確定時,與氣體的濃度成正比.由圖7中實驗結果可知,PD-CLaDS實驗系統(tǒng)的動態(tài)范圍上限至少為174825 ppm·m.需要指出的是,PD-CLaDS的動態(tài)范圍并不是沒有上限的,由于氣體的特征吸收,會導致輸出光強的減弱,若光強減弱至系統(tǒng)無法探測的程度,則PD-CLaDS技術亦無法對樣品進行準確測量.顯而易見,PDCLaDS的動態(tài)范圍遠大于WMS技術的動態(tài)范圍上限.

4.4 線性測量動態(tài)范圍下限——檢出限

系統(tǒng)的動態(tài)范圍下限,即檢出限有多種定義方式,如果認為隨機噪聲是檢出限的唯一限制因素,可以使用長時間測量的標準差來定義檢出限.實驗中為了確定PD-CLaDS實驗系統(tǒng)的檢出限,我們使用1%濃度的甲烷標準氣及17.5 cm長的吸收池來進行長時間的測量,并用測量數據的標準差來確定檢出限.為了對比WMS技術及PD-CLaDS技術的檢出限,使用兩種檢測方式對選定樣品分別進行了1000 s的長時間監(jiān)測.對兩種技術的測量結果使用各自均值進行歸一化處理,之后計算兩種技術測量結果的標準差,歸一化測量結果及標準差如圖8所示.由標準差計算出的檢出限如表2所列.由實驗結果可知PD-CLaDS的檢出限稍高于WMS技術,由此可知WMS更適合應用于吸收度較低的場合.

圖8PD-CLaDS及WMS時間穩(wěn)定性對比實驗Fig.8.Comparison of time stability of WMS and PDCLaDS.

表2 標準差及對應檢出限計算Table 2.Standard deviation and corresponding detection limit.

4.5 相位式CLaDS線性測量動態(tài)范圍

由以上實驗結果可以看出,實驗中PD-CLaDS的線性動態(tài)范圍為47.3—174825 ppm·m,動態(tài)范圍D約為

這一動態(tài)范圍遠大于采用基于強度吸收檢測的WMS等技術.在進行氣體濃度測量時,為了獲得更低的檢出限,通常使用長光程的方案.但由于WMS等技術方案的線性測量區(qū)間非常小,導致長光程方案會受到濃度測量上限的限制,降低了WMS技術的應用范圍.而使用PD-CLaDS技術配合長光程技術則即可兼顧低檢出限及高動態(tài)范圍,因而PD-CLaDS技術更適合與長光程技術配合使用.

5 結 論

本文搭建了一基于外差干涉原理的PDCLaDS測量系統(tǒng),對比、討論了PD-CLaDS技術及WMS技術在高吸收度情況下的應用.理論仿真及實驗結果表明:在高吸收度情況下,WMS技術存在靈敏度衰減的問題,并且當待測樣品吸收度超過某一限值后,WMS技術的輸出結果會出現(xiàn)隨著氣體吸收度的增加而下降的問題,造成波長調制法應用于高吸收度情況時存在測量結果不唯一的問題.而采用K-K關系通過測量氣體特征吸收峰附近的折射率波動來測量樣品濃度的PD-CLaDS技術的輸出不受樣品吸收度的限制,實驗結果顯示PD-CLaDS技術可以在47.3—174825 ppm·m的范圍內進行線性測量,對應的線性測量動態(tài)范圍超過35 dB.與WMS技術相比,PD-CLaDS具有相當的檢出限和高得多的測量上限.

[1]Zhang S,Liu W Q,Zhang Y J,Ruan J,Kan R F,You K,Yu D Q,Dong J T,Han X L 2012 Acta Phys.Sin.61 050701(in Chinese)[張帥,劉文清,張玉鈞,阮俊,闞瑞峰,尤坤,于殿強,董金婷,韓小磊2012物理學報61 050701]

[2]Rieker G B,Je ff ries J B,Hanson R K 2009 Appl.Opt.48 5546

[3]Sanders S T,Baldwin J A,Jenkins T P,Baer D S,Hanson R K 2000 Proc.Combust.Inst.28 587

[4]Wainner R T,Green B D,Allen M G,Frish M B,White M A,Sta ff ord-Evans J,Naper R 2002 Appl.Phys.B 75 249

[5]Ding W W,Sun L Q,Yi L Y,Zhang E Y 2016 Meas.Sci.Technol.27 085202

[6]Seiter M,Sigrist M W 1999 Appl.Opt.38 4691

[7]Nadezhdinskii A,Berezin A,Chernin S,Ershov O,Kutnyak V 1999 Spectrochim.Acta A 55 2083

[8]Goldenstein C S,Spearrin R M,Je ff ries J B,Hanson R K 2014 Appl.Phys.B 116 705

[9]Xu Z Y,Liu W Q,Liu J G,He J F,Yao L,Ruan J,Chen J Y,Li H,Yuan S,Geng H,Kan R F 2012 Acta Phys.Sin.61 234204(in Chinese)[許振宇,劉文清,劉建國,何俊峰,姚路,阮俊,陳玖英,李晗,袁松,耿輝,闞瑞峰2012物理學報61 234204]

[10]Philippe L C,Hanson R K 1993 Appl.Opt.32 6090

[11]Song J L,Hong Y J,Wang G Y,Pan H 2012 Acta Phys.Sin.61 240702(in Chinese)[宋俊玲,洪延姬,王廣宇,潘虎2012物理學報61 240702]

[12]Rieker G B,Li H,Liu X,Liu J T C,Je ff ries J B,Hanson R K,Allen M G,Wehe S D,Mulhall P A,Kindle H S,Kakuho A,Sholes K R,Matsuura T,Takatani S 2007 Proc.Combust.Inst.31 3041

[13]Peng Z,Ding Y,Lu C,Li X,Zheng K 2011 Opt.Express 19 23104

[14]Duffin K,Mcgettrick A J,Johnstone W,Stewart G,Moodie D G 2007 J.Lightwave Technol.25 3114

[15]Kluczynski P,Axner O 1999 Appl.Opt.38 5803

[16]Mclean A B,Mitchell C E J,Swanston D M 2002 J.Electron Spectrosc.Relat.Phenom.69 125

[17]Reid J,Labrie D 1981 Appl.Phys.B 26 203

[18]Wysocki G,Weidmann D 2010 Opt.Express 18 26123

[19]Nikodem M,Plant G,Wang Z,Prucnal P,Wysocki G 2013 Opt.Express 21 14649

[20]Nikodem M,Weidmann D,Smith C,Wysocki G 2012 Opt.Express 20 644

[21]Nikodem M,Krzempek K,Karwat R,Dudzik G,Abramski K,Wysocki G 2014 Opt.Lett.39 4420

[22]Martínmateos P,Acedo P 2014 Opt.Express 22 15143

[23]Ding W,Sun L,Yi L,Ming X 2016 Appl.Opt.55 8698

[24]Velicky B 1961 Czech.J.Phys.11 787

PACS:06.20.–f,07.07.Df,42.62.FiDOI:10.7498/aps.66.120601

Phase sensitive chirped laser dispersion spectroscopy under high absorbance conditions?

Ding Wu-Wen Sun Li-Qun?

(State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Department of Precision Instruments,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

15 December 2016;revised manuscript

22 March 2017)

A whole- fi ber methane sensor under high absorbance based on phase sensitive chirped laser dispersion spectroscopy is presented in this paper.The laser source of the sensor is a tunable distributed feedback diode laser with a frequency of 1653.7 nm.A telecom-based electro-optical intensity Mach-Zehnder modulator working in carrier suppression mode is adapted to modulate the single frequency laser beam for generating a dual-sideband spectrum beside the carrier wave.Unlike previous proposed phase sensitive chirped laser dispersion spectroscopy scheme,the beatnote signal generated by the two sidebands is detected experimentally.The refractive index fl uctuation around the 2ν3transition of methane is measured by detecting the phase variation of the dual-sideband beatnote signal through using the heterodyne interferometric method.A lock-in ampli fi er is employed in the phase demodulation process.By connecting the refractive index(the real part of the complex refraction index)and the absorption coefficient(the imaginary part of the complex refraction index)via Kramers-Kroning relation,the gas concentration information is retrieved from the optical dispersion measurement.Absorption-based wavelength modulation spectroscopy measures the gas concentration encoded in the optical intensity based on Beer-Lambert’s law.However,the signal sensitivity of wavelength modulation spectroscopy decreases,and the signal even decreases while the gas concentration is raised in high absorbance condition,which leads to an uncertainty in concentration measurement.Experimental results demonstrate that wavelength modulation spectroscopy has better performance in low absorbance condition.The detection limit is about 38.1 ppm·m.However,because the sensitivity decreases in high absorbance conditions,the upper detection limit of wavelength modulation spectroscopy is only 1500 ppm·m.The dynamic range is de fi ned through dividing the upper detection limit by the detection limit.Therefore,the wavelength modulation spectroscopy obtains a linear measurement dynamic range of 16 dB.Nevertheless,under the same experimental condition,the phase sensitive chirped laser dispersion spectroscopy has a much larger linear measurement range from 47.3 ppm·m to 174825 ppm·m with a dynamic range higher than 35 dB.Absorption-based gas measurement technique such as wavelength modulation spectroscopy can achieve a low detection limit by using long optical path at the expense of lower upper limit concentration.Phase sensitive chirped laser dispersion spectroscopy appears to be e ff ective in high absorbance condition,which may be caused by high concentration or long optical path.Furthermore,by combining phase sensitive chirped laser dispersion spectroscopy and long optical path technique such as multi pass cell in sensor design,large linear measurement dynamic range and low detection limit can be obtained at the same time.

tunable diode laser absorption spectroscopy,dispersion spectroscopy,wavelength modulation spectroscopy,heterodyne interferometric

10.7498/aps.66.120601

?國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(批準號:2012YQ200182,2012YQ0901670602)資助的課題.

?通信作者.E-mail:sunlq@mail.tsinghua.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Major Scienti fi c Instrument and Equipment Development Project of China(Grant Nos.2012YQ200182,2012YQ0901670602).

?Corresponding author.E-mail:sunlq@mail.tsinghua.edu.cn