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。

针对光腔衰荡光谱(CRDS)的吸收光谱曲线,利用MATLAB工具软件和最小二乘算法对常用的6种气体吸收光谱拟合算法(VP、GP、AVP、AGP、SDVP、SDAVP算法)进行编程,并设计了参数设置、拟合结果显示等界面化窗口;通过CRDS采集已知浓度CO2气体的吸收光谱;采用6种算法对吸收光谱进行拟合实验,比较6种不同线型算法的拟合误差。拟合结果显示:拟合曲线和测量点几乎完全重合;AVP算法拟合的平均残差最大,为3.1748×10 -3, GP及AGP算法的平均残差最小,为1.3212×10 -3,由此验证了6种线型算法在气体吸收光谱曲线拟合中的可行性;AVP算法的运算时间最短,为1.7516 s,SDAVP的运算时间最长,为389.682 s,GP算法的运算时间小于AGP算法。综合考虑残差与运算时间后认为,GP算法最适用于CRDS光谱线型的拟合。

为了精密控制分布反馈激光器的温度与电流, 采用数字信号处理芯片,设计了分布反馈激光器驱动装置。通过该装置设定激光器温度和电流的参考电压, 经数模转换, 再通过温度和电流驱动模块, 馈入并驱动分布反馈激光器, 进行了实验验证。结果表明, 40min内温度变化极差与标准差分别不超过5mK和0.7mK, 电流变化极差与标准差不超过40μA和6μA; 驱动半导体光放大器, 关断时间小于1μs, 具有良好的瞬间响应特性; 该装置具有较高的温度和电流稳定性, 流控模块具有良好的瞬态特性, 能够精密控制分布反馈激光器的温度和电流。该控制装置可用于光腔衰荡光谱研究,控制分布反馈激光器并驱动光放大器来关断激光。