基于折叠腔的光腔衰荡光谱技术研究

董贺伟; 郭瑞民; 崔文超; 李东

doi:doi:10.3788/CJL202047.0311001

中国激光, 2020, 47 (3): 0311001, 网络出版: 2020-03-12

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Cavity Ring-Down Spectroscopy Based on Folded Cavity

论文大纲

董贺伟郭瑞民 ^*崔文超李东

作者单位

中国计量科学研究院环境计量中心, 北京 100029

光谱学光腔衰荡光谱技术 Z型折叠腔模式匹配数据采集 spectroscopy cavity ring-down spectroscopy Z-folding cavity mode matching data acquisition

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摘要

为了有效减小光腔衰荡光谱仪中光腔的体积,设计了一种Z型折叠腔结构,其外部尺寸仅为26.4 cm×8.5 cm×4.5 cm,展开的光腔长度为73.8 cm。采用傍轴高斯光束传输方程对实验光路进行仿真,通过调节两个凸透镜的焦距和位置,实现了光腔内激光模式与光腔模式的完美匹配,确保激光在腔内以横基模TEM00模式存在。实验中,采用数字延迟脉冲发生器触发声光调制器,开断激光,并高速采集衰荡信号,验证了所设计的折叠腔在光腔衰荡光谱仪上应用的可行性。对实验数据进行指数拟合,所得最大残差不超过0.004 μW,衰荡时间为0.852 μs,与理论计算结果相符。所设计的Z型折叠腔结构紧凑,可用于商业化小型光腔衰荡光谱仪。

Abstract

In this paper, to reduce the cavity volume of a cavity ring-down spectrometer (CRDS), we propose designing a Z-folding cavity that has an external dimension of 26.4 cm×8.5 cm×4.5 cm and an expanded length of up to 73.8 cm. In the study, we perform a simulation based on the parallel-Gaussian-beam-transfer-equation to match the laser mode and cavity mode. By adjusting the focal length and position of two convex lenses, we realize mode matching and identify that only the TEM00 mode existes in the cavity. In the experiment, an acousto-optic-modulator is triggered by a digital-delay-generator to switch the laser beam. The feasibility of the Z-folding cavity is verified by the successfully acquiring ring-down signals. By exponentially fitting the experimental data, the ring-down time is determined to be 0.852 μs, which provides a maximum residual of 0.004 μW. The fitted ring-down time is consistent with the theoretical calculation result. The Z-folding cavity designed in this paper is compact and can be used in a commercial CRDS setup.

1 引言

光腔衰荡光谱(CRDS)技术是一种吸收光谱检测技术^[1-3],其测量原理是将激光馈入由高反射镜组成的衰荡光腔中,激光在光腔内来回不断反射,延长与腔内待测气体的作用时间^[4]。这种技术具有检测灵敏度高、系统信噪比高等优点,在原子分子光谱学、生物医学、化学动力学等领域具有广泛应用^[5-11]。除此之外,CRDS技术还可应用于工业生产、户外测量及大气监测等领域^[12-17],这些领域要求CRDS设备须具有小巧便携的特点,以适应复杂的检测环境^[18-19]。CRDS设备测量灵敏度与衰荡腔的长度有关,而传统CRDS设备的光腔均为直腔结构,难以在较小光腔长度下保持较高的测量灵敏度。Krevor等^[20]在实验中采用了V型折叠腔结构,其体积在相同光腔长度下仅为直腔的一半,可在不影响测量灵敏度的情况下减小光腔体积。

本文提出了一种Z型折叠光腔结构,其光腔体积在相同光腔长度下仅为直腔的1/3,有效压缩了光腔体积。本文对实验光路进行了数字仿真,并根据计算结果调节两个具有不同焦距的凸透镜的位置,完成激光模式与光腔模式的匹配,抑制腔内高阶模的存在,增加透射光强度。在实验系统中,以蝶形结构的分布反馈(DFB)激光器作为光源,采用高响应速度声光调制器(AOM)开断光信号。此外,本文编制基于LabVIEW的控制程序,自动进行实验系统的控制和衰荡信号的采集。在实验中,用数字延时脉冲发生器触发高速数字采集卡来获取衰荡信号,采用最小二乘法对测量结果进行拟合得到衰荡时间。

2 实验仿真

2.1 设计原理与机械结构

Z型折叠光腔结构原理如图1所示。该结构包含4片反射镜,其中:C1、C2是曲率半径为1000 mm的圆形凹反镜,其直径为5 mm,标称反射率为(99.98±0.01)%;P1、P2是圆形平面反射镜,其直径为10 mm,反射率约为99.87%,倾斜角为10°。实验时,来自DFB激光器的光从前腔镜C1进入衰荡光腔,经P1、P2反射后,垂直入射到后腔镜C2上,然后原路返回。在该光腔结构中,两凹反镜作为折叠腔的腔镜,这与光腔模式有关。两平面反射镜仅改变光线的传播方向,不改变激光模式,同时不引入像差。图1中:PZT为压电陶瓷传感器,用于精细调节光腔长度;DET为光电探测器,用于将光信号转换为电信号。基于上述设计理念,该折叠腔光腔展开长度约为光腔腔体长度的3倍。相对于传统的直腔设计,在相同的测量灵敏度条件下,本文的Z型折叠光腔的体积更小,更适合用于便携式CRDS设备。

图 1. Z型折叠光腔结构原理图

Fig. 1. Schematic structure of Z-folding cavity

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折叠腔的机械结构如图2所示,主要包括1个主腔体和4个装载镜片的法兰盘。移去光腔上表面后,其内部结构如图2(a)所示。该折叠腔外部尺寸为26.4 cm×8.5 cm×4.5 cm,腔体的前后上下面为4块5 mm厚的长方形板材。左右两面的板材如图2(b)和图2(c)所示,两块板材均为锲形结构,倾斜角为10°,板材直面用于安装腔镜,斜面用于安装平面镜。图2(d)是可装载镜片的法兰盘,上面的3个圆孔用于安装微调旋钮。研究中,采用无头螺丝将两片平面镜和前腔镜分别固定在3个如图2(d)所示的法兰盘上,并在法兰盘外部套装弹性较好的橡胶圈。图2(e)为搭载PZT的法兰盘,用于安装后腔镜,其中PZT以胶合的方式固定在法兰盘上。实验时,将装载镜片的法兰盘分别通过微调旋钮固定到腔体的左右面,并通过挤压橡胶圈微调镜片角度,进而改变光腔内激光的传播方向。

图 2. Z型折叠腔机械模型。(a)腔体结构;(b)腔体的左面;(c)腔体的右面;(d)可装载镜片的法兰盘;(e)搭载PZT的法兰盘

Fig. 2. Mechanical model of Z-folding cavity. (a) Cavity structure; (b) left side of the cavity; (c) right side of the cavity; (d) flange used to hold mirrors; (e) flange used to hold PZT

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2.2 实验光路

实验光路原理如图3所示。实验器件包括光源、AOM、探测器、近红外相机(CCD)。光源为蝶形封装DFB激光器,其中心波长为1573 nm,线宽约为1 MHz。AOM的中心工作波长为1550 nm,调制频率为80 MHz,最大衍射效率约为60%。DFB激光器的出射光经二分之一波片(λ/2)和偏振分光棱镜(PBS)后进入AOM。AOM将入射光调制为零级和一级衍射光,两者的频率差决定于馈入AOM的射频信号源的频率。AOM的一级衍射光经透镜组F₁、F₂调制耦合后进入衰荡光腔,并在腔内不断反射。激光控制器(LDC)快速改变激光器电流,抖动激光频率,直至激光与光腔形成稳定共振。此时关闭AOM的调制信号,一级衍射光消失,光腔内不再馈入激光。已经耦合进光腔的激光在腔内来回反射并不断衰减,利用腔后光电探测器(DET)探测随时间不断减弱的透射光强度。图中的近红外CCD用于监测透射激光,确保腔内单模共振。

图 3. 实验光路示意图

Fig. 3. Diagram of experimental light path

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2.3 电子与控制系统

电子与控制系统包括激光器控制模块、光开关模块和数据采集模块,如图4所示。编制基于LabVIEW的控制软件,以实现计算机与各模块之间的通信。采用激光器控制器(LDC)控制DFB激光器的温度和电流,调节激光的波长和功率。数字脉冲延时信号发生器(DDG)、数字开关(DS)和模拟信号发生器(ASG)协同工作,控制AOM的开断。DDG与数据采集卡(DAC)协同工作,进行数据的采集。实验中,探测器将光信号转换为电信号并传递给DDG,当电信号未达到DDG设定的阈值时,DDG不产生脉冲信号,数字开关(DS)保持低电平状态,开关导通。ASG产生的射频信号经放大器(AMP)放大后驱动AOM产生一级衍射光,一级衍射光经透镜F₁、F₂调制后进入光腔。当电信号达到DDG设定的阈值时,DDG输出通道产生两路高电平脉冲信号,其中:一路脉冲信号用于触发DS,当DS接收到高电平信号时,开关关闭,关断AOM的调制信号,AOM不再产生一级衍射光;另一路脉冲信号用于触发DAC,采集来自DET的衰荡信号,并将信号传回计算机进行数据处理。

图 4. 电子与控制系统

Fig. 4. Electronics and control system

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2.4 仿真与计算

为了使激光模式与光腔模式形成共振,最大程度地增大透射光功率,保证激光在光腔内以横基模模式存在。实验中,采用由凸透镜F1、F2组成的光学透镜组对入射光进行变换,通过改变透镜组的焦距、距离等参数实现模式匹配。激光入射光模式和衰荡腔模式均为高斯分布,高斯型光束经透镜变换后仍为高斯光束。描述高斯光束基本特征的两个参数分别为光束曲率半径R和光斑半径ω。定义复参数q为^[21]

\begin{matrix} \frac{1}{q} = \frac{1}{R} - i \frac{λ}{π ω^{2}}, (1) \end{matrix}

式中:λ为激光波长;q为表征高斯光束基本特征的参数。经光学系统变换后,q参数的变换规律表示为

\begin{matrix} q_{2} = \frac{A q_{1} + B}{C q_{1} + D}, (2) \end{matrix}

式中:q₁和q₂分别为高斯光束经光学系统变换前后的q参数; $\begin{matrix} [\begin{matrix} A & B \\ C & D \end{matrix}] \end{matrix}$ 为光学系统对傍轴光线的变换矩阵。仿真中所用光学系统变换矩阵如表1所示,其中:L为折叠光腔展开后的长度,f为腔镜的焦距。

表 1. 仿真中用到的光学系统变换矩阵

Table 1. Optical transformation matrixes used in the simulation

Transformation type	Optical transformation matrix
Free space	$\begin{matrix} [\begin{matrix} 1 & L \\ 0 & 1 \end{matrix}] \end{matrix}$
Thin lens	$\begin{matrix} [\begin{matrix} 1 & 0 \\ - \frac{1}{f} & 1 \end{matrix}] \end{matrix}$

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根据1表中的变换矩阵,光束经过两次透镜变换(F1、F2)和三段自由传输后,其传输矩阵为

\begin{matrix} \begin{matrix} M_{lens} = \\ [\begin{matrix} 1 & L_{2} \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & 0 \\ - \frac{1}{f_{2}} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & L_{1} \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & 0 \\ - \frac{1}{f_{1}} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & L_{0} \\ 0 & 1 \end{matrix}], (3) \end{matrix} \end{matrix}

式中:L₀为初始光束束腰所在位置距透镜F1的距离;L₁为透镜F2到透镜F1的距离;L₂为透镜F2到光腔前腔镜的距离;f₁、f₂分别为透镜F1、F2的焦距。

由于平面反射镜的曲率半径为¥,平面镜傍轴光线变化矩阵为单位矩阵,对高斯光束没有调制作用,所以入射光经透镜调制后,耦合进光腔的光线传输方程为

\begin{matrix} M = [\begin{matrix} 1 & L' \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & 0 \\ - \frac{1}{f} & 1 \end{matrix}] \times M_{lens}, (4) \end{matrix}

式中:L'为光腔长度。

衰荡光腔本身就是一个稳定的谐振腔,稳定腔的任一高斯模在腔内往返一周后都能重现其自身,因此,腔的高斯模复参数q_M应为

\begin{matrix} q_{M} = \frac{A q_{M} + B}{C q_{M} + D} 。 (5) \end{matrix}

当光在衰荡光腔传输并形成稳定共振时,光腔本身的光线传播方程为

\begin{matrix} [\begin{matrix} A & B \\ C & D \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 - \frac{2 L}{R_{2}} & 2 L (1 - \frac{L}{R_{2}}) \\ - [\frac{2}{R_{1}} + \frac{2}{R_{2}} (1 - \frac{2 L}{R_{2}})] & - [\frac{2 L}{R_{1}} - (1 - \frac{2 L}{R_{1}}) (1 - \frac{2 L}{R_{2}})] \end{matrix}], (6) \end{matrix}

图 5. 激光与光腔间的模式匹配

Fig. 5. Mode matching between laser and optical cavity

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式中:R₁、R₂分别为两凹反镜的曲率半径,实验中两凹面反射镜曲率半径相同,即R₁=R₂。

已知初始光束束腰半径及位置,故根据(1)~(5)式可计算出经透镜组调制过的光模式和光腔高斯模参数。通过合理调整透镜组的焦距和位置,可以将初始高斯光束变换为与光腔模式相匹配的光束,从而减小了入射激光的损耗。实验中测得经AOM调制的一级衍射光的束腰半径为0.234 mm。本文将光束束腰位置作为初始位置对光束进行了调制。光腔曲率半径R为1000 mm,折叠腔展开长度L为738 mm。当F1、F2的焦距分别为400 mm和200 mm,L₀、L₁、L₂分别取50,355,60 mm时,仿真结果如图5所示,表现为在光腔内任意位置经调制的入射光光斑半径与腔模式光斑半径大小一致,此时激光模式与衰荡光腔形成了稳定共振,激光以横基模存在光腔内,且有最大的透射功率。

3 结果与讨论

实验中,通过控制器LDC设定DFB激光器的温度和电流分别为25 ℃和120 mA。DFB激光器出射激光的功率为20 mW,经AOM调制的一级衍射光的功率为8.7 mW,AOM的实际衍射效率为43.5%。实验中折叠腔腔体外部未加控温装置,腔体会因环境温度变化而发生微小形变,从而影响腔模的稳定性^[22-23]。实验中,通过LDC快速抖动DFB激光器的电流来实现输入激光与光腔模式的共振。采用红外相机、透镜和滤光片组成的成像探测系统检测透射光斑,确保当激光与光腔共振时,腔内激光模式为TEM₀₀模式。测量衰荡信号时,调节腔后的PBS和λ/2波片将透射光全部耦合进光电探测器。光电探测器放大倍数为5000 mV/μW,设定DDG触发阈值为0.85 mV。测得的衰荡信号如图6所示,插图为CCD拍摄的透射光斑图像。

图 6. 测得的衰荡信号及其拟合曲线

Fig. 6. Measured ring-down signal and its fitted curve

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根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律,激光在衰荡光腔内反射并不断衰荡,探测器所探测的透射光强度呈指数衰减,表达式为

\begin{matrix} I (t) = I_{0} \exp (- \frac{t}{τ}), (7) \end{matrix}

式中:I₀为腔内激光的初始强度;I(t)为探测器探测的透射光强度;t为探测时间;τ为光强衰减至初始光强1/e时所需的衰荡时间。对测量数据进行指数拟合,得到的衰荡时间约为0.852 μs,拟合残差不超过0.004 μW。

衰荡时间τ通常与腔内气体的吸收损耗、反射镜透射损耗及激光散射损耗有关。激光的单色性好,散射损耗较小,在计算中可以忽略不计^[24]。衰荡时间τ可表示为

\begin{matrix} τ = \frac{L}{c (αL + \ln \sqrt[]{r_{1} r_{2} r_{3} \dots})}, (8) \end{matrix}

式中:c为真空中的光速;α为气体吸收常数;αL表示腔内气体的吸收损耗;r₁、r₂、r₃等分别为光腔内各腔镜的反射率,ln $\begin{matrix} \sqrt[]{r_{1} r_{2} r_{3} \dots} \end{matrix}$ 表示腔内反射镜的反射损耗。在目前的研究中,腔内无吸收气体,故α近似为0。由于选取的反射镜的反射率均在99%以上,故ln $\begin{matrix} \sqrt[]{r_{1} r_{2} r_{3} \dots} \end{matrix}$ 近似等于1- $\begin{matrix} \sqrt[]{r_{1} r_{2} r_{3} \dots} \end{matrix}$ 。在实验中,两个腔镜的反射率均为r₁,两个平面镜的反射率均为r₂,则折叠腔的衰荡时间τ_z的计算公式为

\begin{matrix} τ_{z} = \frac{L}{c (1 - r_{1} \times r_{2}^{2})} 。 (9) \end{matrix}

已知折叠腔展开长度L=73.8 cm,真空中的光速c=2.99792548×10⁸ m/s,腔镜反射率r₁标称为(99.98±0.01)%,平面镜反射率r₂约为99.87%,根据式(9)进行计算可得衰荡时间τ_z的范围为0.8496~0.9124 μs。实验拟合得到的衰荡时间约为0.852 μs,在理论计算结果范围内。

4 结论

本研究设计了一套基于Z型折叠腔的衰荡光腔系统,先后完成了Z型折叠腔模型设计、实验光路组建、控制系统搭建、模拟仿真计算以及实验系统验证等工作。本文在实验中对衰荡信号进行了测量,并对测量结果进行了数值拟合。拟合残差不超过0.004 μW,拟合的衰荡时间为0.852 μs,与理论计算值相符。本文设计的Z型折叠腔展开长度约为腔体长度的3倍,且光路布局紧凑,适用于小型化光腔衰荡光谱仪。

参考文献

[1] Guo R M, Teng J H, Cao K, et al. Comb-assisted, Pound-Drever-Hall locked cavity ring-down spectrometer for high-performance retrieval of transition parameters[J]. Optics Express, 2019, 27(22): 31850-31863.

[2] Cygan A, Wójtewicz S, Zaborowski M, et al. One-dimensional cavity mode-dispersion spectroscopy for validation of CRDS technique[J]. Measurement Science and Technology, 2016, 27(4): 045501.

[3] O'Keefe A. Deacon D A G. Cavity ring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources[J]. Review of Scientific Instruments, 1988, 59(12): 2544-2551.

[4] 曹珂, 张桂春, 郭瑞民, 等. 基于光腔衰荡光谱的气体成分量测量技术[J]. 计量技术, 2017( 8): 7- 11.

CaoK, Zhang GC, Guo RM, et al. Measurement technique of gas composition based on cavity ring-down spectroscopy[J]. Measurement Technique, 2017( 8): 7- 11.

[5] 龚元, 李斌成. 宽谱连续波复合衰荡光腔技术测量高反射率[J]. 中国激光, 2007, 34(6): 857-860.

Gong Y, Li B C. Broadband continuous-wave cavity ring-down technique with combined cavity configurations for high reflectivity measurement[J]. Chinese Journal of Lasers, 2007, 34(6): 857-860.

[6] Stancu D, Kaddouri F, Lacoste A, et al. Atmospheric pressure plasma diagnostics by OES, CRDS and TALIF[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010, 43(12): 124002.

[7] Assaf E, Sheps L, Whalley L, et al. The reaction between CH3O2 and OH radicals: product yields and atmospheric implications[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 51(4): 2170-2177.

[8] Banik G D, Som S, Maity A, et al. An EC-QCL based N2O sensor at 5.2 μm using cavity ring-down spectroscopy for environmental applications[J]. Analytical Methods, 2017, 9(15): 2315-2320.

[9] 宓云軿, 王晓萍, 詹舒越. 光腔衰荡光谱技术及其应用综述[J]. 光学仪器, 2007, 29(5): 85-89.

Mi Y P, Wang X P, Zhan S Y. Review on cavity ring down spectroscopy technology and its application[J]. Optical Instruments, 2007, 29(5): 85-89.

[10] Zellweger C, Emmenegger L, Firdaus M, et al. Assessment of recent advances in measurement techniques for atmospheric carbon dioxide and methane observations[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2016, 9(9): 4737-4757.

[11] 寇潇文, 周宾, 刘训臣, 等. 腔衰荡光谱方法测量大气中痕量NH3的浓度[J]. 光学学报, 2018, 38(11): 1130001.

Kou X W, Zhou B, Liu X C, et al. Measurement of trace NH3 concentration in atmosphere by cavity ring-down spectroscopy[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(11): 1130001.

[12] Flores E, Rhoderick G C, Viallon J, et al. Methane standards made in whole and synthetic air compared by cavity ring down spectroscopy and gas chromatography with flame ionization detection for atmospheric monitoring applications[J]. Analytical Chemistry, 2015, 87(6): 3272-3279.

[13] 王丹, 胡仁志, 谢品华, 等. 基于腔衰荡光谱技术测量夜间大气中五氧化二氮[J]. 光学学报, 2017, 37(9): 0901001.

Wang D, Hu R Z, Xie P H, et al. Measurement of nitrogen pentoxide in nocturnal atmospheric based on cavity ring-down spectroscopy[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(9): 0901001.

[14] Tan Z Q, Long X W. A developed optical-feedback cavity ring-down spectrometer and its application[J]. Applied Spectroscopy, 2012, 66(5): 492-495.

[15] Brown S S. Absorption spectroscopy in high-finesse cavities for atmospheric studies[J]. Chemical Reviews, 2003, 103(12): 5219-5238.

[16] 方双喜, 周凌晞, 臧昆鹏, 等. 光腔衰荡光谱(CRDS)法观测我国4个本底站大气CO2[J]. 环境科学学报, 2011, 31(3): 624-629.

Fang S X, Zhou L X, Zang K P, et al. Measurement of atmospheric CO2 mixing ratio by cavity ring-down spectroscopy (CRDS) at the 4 background stations in China[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31(3): 624-629.

[17] Wilkinson J, Bors C, Burgis F, et al. Correction: measuring CO2 and CH4 with a portable gas analyzer: closed-loop operation, optimization and assessment[J]. PLoS One, 2019, 14(3): e0206080.

[18] Sahay P, Scherrer S T, Wang C. A portable optical emission spectroscopy-cavity ringdown spectroscopy dual-mode plasma spectrometer for measurements of environmentally important trace heavy metals: initial test with elemental Hg[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(9): 095109.

[19] 江雄, 宗德蓉, 孙祖红, 等. 激光显示中声光调制器的研究[J]. 光学仪器, 2007, 29(5): 50-54.

Jiang X, Zong D R, Sun Z H, et al. Study on acousto-optic modulator in laser display[J]. Optical Instruments, 2007, 29(5): 50-54.

[20] Krevor S, Perrin J C, Esposito A, et al. Rapid detection and characterization of surface CO2 leakage through the real-time measurement of δ 13 C signatures in CO2 flux from the ground[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2010, 4(5): 811-815.

[21] 周炳琨, 高以智, 陈倜嵘, 等. 激光原理[M]. 7版. 北京: 国防工业出版社, 2014: 72- 83.

Zhou BK, Gao YZ, Chen TR, et al.The principle of laser[M]. 7th ed. Beijing: National Defense Industry Press, 2014: 72- 83.

[22] 曹珂, 梁超群, 郭瑞民, 等. 衰荡光腔温度控制研究[J]. 计量学报, 2018( 3): 431- 435.

CaoK, Liang CQ, Guo RM, et al. Study on temperature control for ring-down cavity[J]. Acta Metrologica Sinica, 2018( 3): 431- 435.

[23] 苏婉, 郭瑞民, 邢素霞, 等. 高稳定性及均匀性光腔温度控制研究[J]. 计量技术, 2018( 10): 10- 12, 42.

SuW, Guo RM, Xing SX, et al. Study on temperature control of optical cavity with high stability and uniformity[J]. Measurement Technique, 2018( 10): 10- 12, 42.

[24] 王丹, 胡仁志, 谢品华, 等. 腔衰荡光谱技术中衰荡时间的准确快速提取[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(10): 2845-2850.

Wang D, Hu R Z, Xie P H, et al. Fast and accurate extraction of ring-down time in cavity ring-down spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(10): 2845-2850.

董贺伟, 郭瑞民, 崔文超, 李东. 基于折叠腔的光腔衰荡光谱技术研究[J]. 中国激光, 2020, 47(3): 0311001. Dong Hewei, Guo Ruimin, Cui Wenchao, Li Dong. Cavity Ring-Down Spectroscopy Based on Folded Cavity[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(3): 0311001.

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1 引言

2 实验仿真

2.1 设计原理与机械结构

图 1. Z型折叠光腔结构原理图

Fig. 1. Schematic structure of Z-folding cavity

图 2. Z型折叠腔机械模型。(a)腔体结构;(b)腔体的左面;(c)腔体的右面;(d)可装载镜片的法兰盘;(e)搭载PZT的法兰盘

Fig. 2. Mechanical model of Z-folding cavity. (a) Cavity structure; (b) left side of the cavity; (c) right side of the cavity; (d) flange used to hold mirrors; (e) flange used to hold PZT

2.2 实验光路

图 3. 实验光路示意图

Fig. 3. Diagram of experimental light path

2.3 电子与控制系统

图 4. 电子与控制系统

Fig. 4. Electronics and control system

2.4 仿真与计算

表 1. 仿真中用到的光学系统变换矩阵

Table 1. Optical transformation matrixes used in the simulation

图 5. 激光与光腔间的模式匹配

Fig. 5. Mode matching between laser and optical cavity

3 结果与讨论

图 6. 测得的衰荡信号及其拟合曲线

Fig. 6. Measured ring-down signal and its fitted curve

4 结论

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1 引言

2 实验仿真

2.1 设计原理与机械结构

图 1. Z型折叠光腔结构原理图

Fig. 1. Schematic structure of Z-folding cavity

图 2. Z型折叠腔机械模型。(a)腔体结构;(b)腔体的左面;(c)腔体的右面;(d)可装载镜片的法兰盘;(e)搭载PZT的法兰盘

Fig. 2. Mechanical model of Z-folding cavity. (a) Cavity structure; (b) left side of the cavity; (c) right side of the cavity; (d) flange used to hold mirrors; (e) flange used to hold PZT

2.2 实验光路

图 3. 实验光路示意图

Fig. 3. Diagram of experimental light path

2.3 电子与控制系统

图 4. 电子与控制系统

Fig. 4. Electronics and control system

2.4 仿真与计算

表 1. 仿真中用到的光学系统变换矩阵

Table 1. Optical transformation matrixes used in the simulation

图 5. 激光与光腔间的模式匹配

Fig. 5. Mode matching between laser and optical cavity

3 结果与讨论

图 6. 测得的衰荡信号及其拟合曲线

Fig. 6. Measured ring-down signal and its fitted curve

4 结论

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