超灵敏噪声免疫腔增强光外差分子光谱系统的设计与优化
先依据光学腔的传递函数给出了透射及反射NICE-OHMS的理论表述，分析了腔镜损耗、阻抗匹配以及空间模式匹配对透射端和反射端气体吸收以及背景信号的影响，由此提出了差分NICE-OHMS方法的理论依据，并且给出了两信号相加时权重值的计算公式；实验中基于掺饵光纤激光器，验证了差分NICE-OHMS的有效性，并且对其探测灵敏度进行了评估，在 170 秒积分时间下获得了14 14.7×10- cm- 的探测灵敏度。 4. 使用平衡探测技术首次实现了多普勒展宽 NICE-OHMS 信号的散粒噪声极限测量。首先介绍了平衡探测的原理以及实验装置；进一步通过对背景信号的测量以及阿伦方差分析验证了平衡探测的有效性，在 220 秒积分时间下获得了14 12.2×10- cm- 的探测灵敏度；依据不同激光功率下系统的白噪声响应特性，证实了平衡探测NICE-OHMS具有散粒噪声极限探测的能力。 5. 使用NICE-OHMS系统对吸烟者呼出气中的C2H2进行了测量。首先分析了分子光谱干涉对多普勒以及亚多普勒信号的影响；然后介绍了一种基于光学腔位置抖动方法抑制etalon噪声的方案，通过直接测量背景信号以及使用阿伦方差分析了该方法对背景信号抑制的效果；最后对两位吸烟者呼出气中的 C2H2进行了高灵敏高分辨测量，这是首次将NICE-OHMS技术用于实际应用。 6. 基于亚多普勒 NICE-OHMS 信号实现激光频率的锁定，从而获得频率标准。利用亚多普勒 NICE-OHMS 信号作为误差信号，将激光频率锁定到了 CO2在1.57μm处的跃迁线中心，使用β-seperation线方法对锁定后的激光线宽进行了评估，通过对激光频率噪声的长期测量分析，其相对频率稳定度在积分时间为4s 时达到了 1.4×10-15；最后将该频率标准应用于腔增强光学频率梳系统中，对16THz范围内的光学腔腔模进行了测量。 在以上介绍的工作中，我们提出了三种新颖的NICE-OHMS系统，分别为基于WGM激光器的NICE-OHMS、差分NICE-OHMS、平衡探测NICE-OHMS，连续三次刷新了基于多普勒展宽 NICE-OHMS 的痕量气体探测灵敏度的世界纪录，并且首次获得了多普勒NICE-OHMS信号的散粒噪声极限测量。最后我们以对吸烟者呼出气中C2H2气体的检测为例探索了NICE-OHMS在痕量气体检测中的应用。
高精细度光学腔;光外差分子光谱;痕量气体检测;频率稳定
山西大学
博士
原子与分子物理
贾锁堂
2018
中文
TN24;O433
2019-01-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）