1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 电子科技大学光电科学与工程学院, 四川 成都 610054
压强是工业生产过程中的一个重要参数, 其准确测量是过程控制的关键。 气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、 气压等因素, 利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应, 可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息, 实现压力计校准。 提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。 采用5.2 μm可调谐量子级联激光器, 基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。 室温下, 测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线, 线宽为0.084 21 cm-1, 重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1, 对应的压强大小为98.12 kPa, 检测灵敏度优于0.18 kPa, 与高精度压力计读数98.14 kPa一致。 利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1, 与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。 实验校准了一小量程压力计。 结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。
光腔衰荡光谱 量子级联激光器 压力展宽 Cavity ring-down spectroscopy Quantum cascade laser Pressure broadening 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1031
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
2 Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
The cavity ring-down (CRD) technique is adopted for simultaneously measuring s- and p-polarization reflectivity of highly reflective coatings without employing any polarization optics. As the s- and p-polarized light trapped in the ring-down cavity decay independently, with a randomly polarized light source the ring-down signal recorded by a photodetector presents a double-exponential waveform consisting of ring-down signals of both s- and p-polarized light. The s- and p-polarization reflectivity values of a test mirror are therefore simultaneously determined by fitting the recorded ring-down signal with a double-exponential function. The determined s- and p-polarization reflectivity of 30° and 45° angle of incidence mirrors are in good agreement with the reflectivity values measured with the conventional CRD technique employing a polarizer for polarization control.
310.0310 Thin films 310.6860 Thin films, optical properties 120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology Chinese Optics Letters
2017, 15(5): 053101
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 电子科技大学光电信息学院, 四川 成都 610054
氩气和氮气被广泛用作增材制造中的保护气体, 但局部高温及材料中的氧逸出等因素会导致熔融区附近的氧含量与保护气体中的氧含量存在差异, 提出采用激光诱导击穿光谱技术检测熔融区附近的痕量氧含量。通过实验测量氧气/氩气和氧气/氮气的击穿光谱, 结合氧原子谱线强度与连续背景强度的比值, 获得了氩气和氮气中痕量氧含量的检测定标曲线, 得到氩气和氮气中氧体积分数的检测限分别为31×10-6和41×10-6; 通过分析等离子体的形成和衰退过程发现, 氩气等离子体的电子温度比氮气等离子体的高, 其衰减比氮气等离子体缓慢, 因此在相同的实验条件下, 氩气等离子体中的氧原子谱线强度和信噪比均比氮气等离子体的高, 从而使得氩气中氧含量的检测限低于氮气中氧含量的检测限。
光谱学 激光诱导击穿光谱 痕量氧含量 定量分析 检测限 中国激光
2017, 44(10): 1011001
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 电子科技大学光电信息学院, 四川 成都 610054
高纯气体中水汽含量是半导体工业生产中的一个重要参数, 气体中残余水汽含量即使是ppbv量级也会对产品质量产生影响。 气体在中红外区域具有更丰富的特征谱线, 在该区域对水汽含量进行检测十分必要。 宽调谐范围、 高输出功率和窄线宽量子级联激光器的快速发展, 推动了该区域红外光谱检测技术的发展。 首次在中红外波段, 采用5.2 μm可调谐量子级联激光器, 基于连续光腔衰荡光谱技术建立了痕量水汽的检测装置, 并开展了痕量水汽检测实验。 通过阿伦方差分析系统噪声水平, 确定了光腔衰荡信号最优平均次数为602次。 根据HITRAN数据库, 模拟实验条件下1 905～1 925 cm-1范围内水汽的吸收截面, 选取最佳的检测谱线位置。 在常压和室温下, 对1 918 cm-1附近的水汽吸收光谱进行测量, 测定高纯氮气中的痕量水汽浓度, 检测结果与标称值一致。 在腔镜反射率为99.93%时水汽的检测灵敏度达到24.8 ppbv。 分析结果表明, 中红外高灵敏痕量气体检测技术在工业监测、 环境检测以及医学诊断等领域具有很好的应用前景。
光腔衰荡光谱 量子级联激光器 痕量水汽 Cavity ring-down spectroscopy Quantum cascade laser Trace moisture 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3848
1 中国科学院光电技术研究所，成都 610209
2 电子科技大学 光电信息学院，成都 610054
本文从测试腔长与初始腔长不一致、探测器耦合方式分析了连续光腔衰荡技术测量超高反射率元件损耗的误差。测量结果表明，在635 nm 波长，常规1 000 级超净实验室空气损耗系数约10 ppm/m，当测试腔长比初始腔长长20 cm 时，导致测试样品损耗测量结果偏大约2 ppm。另外，当采用交流(AC)耦合方式探测CRD 信号时将使衰荡信号波形失真，通过实验对比直流(DC)耦合和AC 耦合结果，发现采用AC 耦合将使损耗测量结果偏低约2 ppm。实验结果与分析表明测量超高反射率元件损耗时应保证测试腔腔长与初始腔腔长一致，并且采用足够带宽的直流耦合探测方式。
光腔衰荡 高反射率测量 空气损耗 耦合方式 cavity ring-down optical loss air loss detection coupling scheme
1 湖北文理学院 物理与电子学院, 襄阳 441053
2 中国地质大学(武汉) 数学与物理学院, 武汉 430074
3 中国地质大学(武汉) 自动化学院, 武汉 430074
为了研究镜像磁光光子晶体在外磁场中透射谱的变化, 采用4×4传输矩阵法进行了理论分析和模拟计算。模拟结果显示, 当外磁场存在的情况下, 镜像光子晶体中存在的缺陷模会受到外磁场和光子晶体层数的影响, 分裂成两个模式, 这两个模式分别对应于原线性偏振光中的左旋光和右旋光, 且左旋光和右旋光之间的频率差会随着外加磁场的增强而增大; 只有当光子晶体结构多于7层时, 缺陷模才会具有较高的Q值, 这时模式的分裂现象才能被清晰地观察到。结果表明, 磁光光子晶体的这种可调谐性可以应用到新型的滤波器设计当中。
非线性光学 磁光效应 4×4传输矩阵法 镜像光子晶体 缺陷模分裂 nonlinear optics magneto-optical effect 4×4 transfer matrix method mirror photonic crystal defect-mode splitting
1 中国地质大学数理学院, 湖北 武汉 430074
2 中国地质大学信息技术中心, 湖北 武汉 430074
采用4×4 传输矩阵法研究了一维镜像结构光子晶体的应力效应，重点研究了应力导致的各项异性对缺陷模的影响。模拟结果显示，应力作用导致的晶体厚度的改变，将会导致透射谱中缺陷模的明显移动，缺陷模的移动和晶体厚度呈现线性关系。进一步研究证实，对于不同材料，应力作用导致的介质的各向异性将加强或削弱这一效应。在如今对传感器精度要求越来越高的情况下，光子晶体的这些特性在压力传感器的设计制作中显示出潜在的应用价值。
非线性光学 各向异性 4×4 传输矩阵法 镜像光子晶体 弹光效应 激光与光电子学进展
2015, 52(4): 041603
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院研究生院，北京 100039
采用基于红外脉冲量子级联激光器的高灵敏光腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy)技术建立了氨气在1027 cm-1 (9.7 μm)附近的吸收光谱痕量检测实验装置.使用该装置对人体口腔呼出气体以及超净实验室环境中氨气成份进行了测量和分析，氨气的检测灵敏度达到10 ppb.模拟分析了激光器光谱线宽对测量结果和系统检测灵敏度的影响，随着激光器光谱线宽的增加，测量结果偏低，系统检测灵敏度下降.为了减小光源线宽对测量结果的影响，通过修正曲线对测量数据进行修正，得到了较好的结果.
光腔衰荡光谱 量子级联激光器 氨气 线宽 cavity ring-down spectroscopy quantum cascade laser ammonia line-width
1 中国科学院光电技术研究所， 四川 成都 610209
2 中国科学院研究生院， 北京 100049
反卷积方法是提高光谱仪分辨率的重要手段。采用空域迭代反卷积和频域维纳滤波对多纵模激光器光谱进行数据仿真，并在不同光谱仪采样率条件下，比较了迭代反卷积和维纳滤波结果。仿真结果表明，迭代反卷积和维纳滤波可以有效消除光谱仪仪器响应函数引起的光谱展宽，提高光谱仪分辨率。在光谱仪采样率低的情况下，迭代反卷积的分辨率增强效果优于维纳滤波。随着采样率的增加，维纳滤波的误差小于迭代反卷积。实验分别测量了单纵模和多纵模632.8 nm He-Ne激光器光谱，并对测量结果进行反卷积处理。结果表明，低分辨率光谱仪测量的激光器光谱经反卷积处理后与高分辨率光谱仪直接测量结果一致。
光谱学 采样率 反卷积 分辨率 激光与光电子学进展
2012, 49(4): 043001
1 中国科学院光电技术研究所，成都 610209
2 中国科学院研究生院，北京 100049
在利用光反馈光腔衰荡技术测量大口径光学元件反射率及其均匀性分布时，需要对光学元件进行二维扫描测量，而在扫描过程中光学元件的倾斜失调将对测量结果造成影响.本文根据失调谐振腔光束传输增广矩阵，通过数值运算模拟了在对称共焦腔和一般稳定腔情况下，光反馈衰荡腔结构中由样品倾斜失调引起的输出腔镜上光斑中心位置变化以及对反射率测量的影响.仿真结果表明：对称共焦腔情况下，输出腔镜上奇数次光斑无漂移，偶数次光斑漂移量为固定值；在一般稳定腔情况下，输出腔镜上奇偶数次光斑均往复振荡漂移.分析表明，该系统对样品失调角度的敏感程度与样品在腔内的位置以及腔长有关，通过改变样品在腔内位置，选择适当腔长以及包络拟合法可以减小样品失调对测量结果的影响.
光腔衰荡 失调 高反射率 光学谐振腔 Cavity ring-down Misalignment High reflectivity Optical resonator
