光纤频率调制光谱技术中残余幅度调制的产生、抑制及应用

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频率调制光谱(FMS)技术由于其探测灵敏度高且可同时探测气体的吸收和色散而被广泛应用于原子分子光谱、痕量气体检测等相关领域。发展全光纤的FMS可以避免光路暴露在外部环境之中,提高系统的抗干扰性,实现装置的小型化。然而FMS是一项偏振敏感技术,光纤器件的引入会导致由于光的偏振态变化而诱发的残余幅度调制(RAM),影响光谱探测的灵敏度。本文首先对理想情况下和存在RAM时的FMS线型进行了理论分析,研究了RAM的产生机理,给出了无吸收时RAM背景信号的表达式,分析了各种因素对RAM信号的影响。基于探测相位与RAM信号的依赖关系,提出了一种快速确定FMS探测相位的新方法,与传统的通过FMS线型拟合获得的探测相位相比,偏差小于0.04rad(2°),证实了该方案的可行性。该技术快速、简单、可靠,为光纤FMS技术走向应用提供了必要的技术储备。光纤FMS技术中,RAM的存在会导致FMS线型中存在一个不稳定的直流偏置导致光谱线型扭曲,从而影响测量气体浓度的灵敏度,这是FMS技术在实际应用过程中需要克服的一个关键问题。本文提出了一种基于Hansch-Couillaud (H-C)偏振态检测来抑制RAM的技术方案。该方案利用H-C偏振检测技术对光纤电光调制器(f-EOM)输出光的偏振态进行测量,以此作为误差信号反馈到f-EOM的低频控制端口来消除RAM。首先我们通过这种反馈控制的方法实现了保偏光纤高质量线偏振光的输出;其次,对乙炔气体在6544.4419cm-1处吸收线进行测量时,通过H-C反馈控制获得了标准的FMS线型,并通过Allan方差对H-C反馈闭环和开环时FMS色散信号的稳定性进行了评估。另外,在基于f-EOM的PDH锁频技术中,RAM的存在使得频率锁定点发生漂移,影响频率锁定的长期稳定性,实验上通过H-C反馈抑制的方法获得了无偏置且对称的PDH误差信号,在H-C控制开环和闭环情况下,对激光到腔模的频率锁定进行测量。该RAM抑制方案极大的增加了频率锁定的性能,实现了激光频率精确与长期的锁定。
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