紫外光波长测量仪

高密紫外光源在信息存储、显微仪器和化学分析方面具有广泛应用前景　　据美国物理学家组织网11月29日报道，现有的紫外光源功率较低，笨重且昂贵，美国密歇根大学研究人员开发出一种更加智能化的方法来制造高密紫外光源，而且耗能更少，在信息存储、显微仪器和化学分析方面具有广泛应用前景。该研究发表在最新出版的《光学快递》上。　　研究人员改进了一种光学共振器，能将廉价的电信红外光变成高能紫外激光束。该共振器是一种毫米级的铌酸锂回音廊式共振器，内部制作成精密的结构并经过抛光使其表面变得极为光滑，当输入光束通过内部的共振线路后，就会获得能量。　　研究人员解释说，新型共振器是一种4倍频的激光发生器，能连续发射紫外光。在实验中，他们驱动电信红外光束与共振器结合，通过一个钻石棱镜能产生紫外、可见、近红外和红外四种光谱，并可通过多模光纤收集。　　“如果把激光从绿变蓝，它的效率就会下降，要是变成紫外激光就更困难。这一法则最先由爱因斯坦提出来，用以解释为何绿色激光指示器中包含的不全是绿色激光，它其实是把一种红色激光的波长一分为二变成了绿色激光。”领导该研究的密歇根大学电力工程与计算机科学系副教授莫纳加洛希说，“我们优化了光学共振器的结构，能在更宽光波范围获得更多能量，用小功率的红外光制出了低成本而且波长可调的紫外光源。”　　加洛希还指出，紫外光源在化学探测、高清医学成像、高精集成线路印刷以及扩展计算机内存方面有广泛应用。但目标波长越短，生成激光就越困难，效率也会更低。倍频转化就像把一个喇叭的音量调高，得到一种新频率的声音。新技术驱动光束通过非线性介质，能生成光分支并使其加倍，获得的紫外光频率和能量是原来输入光束的4倍，波长是原来的1/4。

美军的生物联合防区外检测系统(JBSDS)。JBSDS是防区外化学与生物威胁监测的应用实例，利用激光雷达(LIDAR)来探测一定距离外的气溶胶。DARPA希望通过LUSTER项目开发出小巧的大功率紫外激光器来实现类似功能。　　中新网3月6日电 据中国国防科技信息网报道，美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了一项新研究，旨在开发出一种结构小巧、性能可靠的紫外线探测设备。　　该研究项目名为&ldquo 战术有效的拉曼紫外激光光源&rdquo (LUSTER)。DARPA向业界寻求设计方案，以开发结构紧致、高效低成本、可灵活部署的深紫外(deep UV)激光生化战剂探测新技术。这种新技术可以节省空间、降低重量和功率需求，也比当前的同类装置要敏感很多。DARPA的目标是：新紫外激光器的体积不超过目前激光器的1/300，同时效率提高10倍。　　拉曼光谱分析是利用激光来测量分子振动、从而迅速准确地识别未知物质的方法。紫外激光的波长特别适合进行拉曼分析，但美国国防部当前所使用的战术紫外线探测系统体积庞大、价格昂贵，其性能也有限。　　DARPA项目经理丹格林介绍说，目前探测系统的体积和重量太大，需要用卡车运送，而LUSTER项目的目标是开发出具有突破性的化学与生物战剂探测系统，可以单兵携带，并且效率大幅提高，同时，DARPA希望新系统的价格也能在目前探测系统价格基础上&ldquo 抹去几个零&rdquo 。　　目前&ldquo 紧凑型中紫外技术&rdquo (CMUVT)项目已经完成，DARPA希望在此基础上研制LUSTER。CMUVT项目研发出了创纪录的高效大功率中紫外线发光二极管，紫外线波长接近LUSTER的紫外光波长。 但发光二极管对化合物识别的灵敏度有限，因此DARPA希望LUSTER项目能够开发出新的激光技术，使其准确度和灵敏度不低于当前昂贵的激光系统，而其稳定性和成本又与发光二极管相当。　　格林透露，除了用于探测战场或国内大规模恐怖袭击中可能出现的化学与生物战剂，紫外激光器还有许多其他用途，例如医疗诊断、先进制造和紧凑的原子钟。　　LUSTER项目可考虑采用多种不同的技术方法，只要他们能够发出220-240纳米波长的深紫外光，其功率输出大于1瓦，功率转换效率大于10%，导线宽度小于0.01纳米。

近日，来自安徽科技理工大学、安徽西部大学皖西学院、复旦大学大气与海洋科学学院、上海期智研究院的联合研究团队发表了《通过实施光学条纹噪声抑制方法的激光波长调制光谱技术实现气体测量的高精度和高灵敏度检测》论文。Recently, the joint research team from Anhui University of Science and Technology, West Anhui University, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Fudan University, Shanghai QiZhi Institute published an academic papers High precision and sensitivity detection of gas measurement by laser wavelength modulation spectroscopy implementing an optical fringe noise suppression method.可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）已被开发用于痕量气体测量，因其高精度、高灵敏度和无需任何样品准备的原位自校准的独特优势。通常，长光程的多次通过腔体（MPC）被应用于增强基于TDLAS的传感器的检测精度和灵敏度。然而，MPC中出现的意外光学干涉纹严重影响了传感器的检测精度和灵敏度。基于MPC的TDLAS传感器的检测精度和灵敏度通常受到光学干涉纹的限制，这些干涉纹由衍射、镜面表面瑕疵的散射、镜面畸变、热膨胀、冷收缩或应力变形引起。因此，MPC中观察到的光学干涉纹由不同的光学干涉纹组成。这些光学干涉纹主要是由于少量的激光以与主激光束相差ΔL的光程到达探测器所致。这些问题对于TDLAS是普遍存在的，尤其是在使用密集重叠斑点模式的MPC时，提出了一些不同的方法来消除光学干涉纹的负面影响。The Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) has been developed for trace gas measurement, as its unique advantages of high precision, high sensitivity and self-calibration in situ qualification with-out any sample preparation. The multi-pass cell (MPC) with a long optical path is usually applied to enhance TDLAS-based sensor’s detection precision and sensitivity. However, the unexpected optical fringes occurring in the MPC often spoil the sensor’s detection precision and sensitivity seriously. The detection precision and sensitivity of the TDLAS-based sensors containing an MPC are often limited by the optical fringes that result from diffraction, scattering on the mirror surface imperfections, mirror aberration, thermal expansion, cold contraction, or stress deformation. Therefore, the complex optical fringe consisting of different optical fringe will be observed in the MPC. These optical fringes are due largely to a small amount of laser reaching the detector with an optical path length differing by ΔL from the main laser beam. Those problems are common for TDLAS, especially using dense overlapped spot pattern MPC and some di&fflig erent methods are proposed to eliminate the negative influence of the optical fringes.研究团队提出了一种抑制可调二极管激光吸收光谱中光学条纹噪声的新方法，并将其应用于由光学条纹扰动的CH4气体传感器，以提高检测精度和灵敏度。所开发的CH4检测仪的示意图如图1所示。宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供锁相放大器（HPLIA 微型双通道调制解调锁相放大器），从光电探测器输出的信号发送到锁相放大器，锁相放大器相对于同步信号对2f模式进行解调，锁相放大器的时间常数设为1ms。In this work, a novel method to suppress optical fringe noise in the tunable diode laser absorption spectroscopy is proposed and applied to the CH4 gas sensor perturbed by optical fringes for higher detection precision and sensitivity.The schematic diagram of the developed CH4 detection instrument is shown in Fig. 1 . HealthyPhoton Co.,Ltd provided a HPLIA Miniature dual-channel modulated demodulation lock-in amplifier for this project. The lock-in amplifier demodulates the signal in the 2f mode with respect to the sync signal. The time constant of the lock-in amplifier is set to 1 ms.Fig.1. Schematic diagram of the developed CH 4 detection systemlock-in amplifier (Healthy Photon, HPLIA)对于被光学条纹和随机噪声干扰的20 ppm CH4的二次谐波(2 f)信号，通过该新方法，2f信号的信噪比(SNR)从17提高到182，优化平均光谱范围Δ𝜆 。与未经处理的原始信号相比，CH4测量精度改善了约1.5倍。相应的最小可检测浓度可从3 ppb改善到0.78 ppb。系统的相应噪声当量吸收灵敏度(NNEA)和噪声当量浓度(NEC)分别为6.13 ×10-11 cm&minus 1 W Hz&minus 1/2 and 0.181 ppm。For the 2nd harmonic(2f) signal of 20 ppm CH4 spoiled by optical fringes and random noise, by the novel method, the signal-to-noise ratio (SNR) of the 2f signal is improved about 6.5 times from 17 to 182 with an optimal averaging spectral range Δ𝜆 . A &sim 1.5 times improvement in the measurement precision of CH4 is achieved compared to unprocessed raw signal. The corresponding minimum detectable concentration can be improved from 3 ppb down to 0.78 ppb. The corresponding noise equivalent absorption sensitivity (NNEA) and the noise equivalent concentration (NEC) of the system is 6.13 ×10-11cmW-1Hz-1/2 and 0.181 ppm, respectively.Violet line from traditional averaging method and magenta line from the novel optical fringe noise suppression method.Histogram plot of the 20 ppm CH 4 deviation.20 ppm CH 4 Allan-deviation stability of developed overlapped spot pattern MPC.参考文献：Reference:Yanan Cao, Xin Cheng, Zong Xu, Xing Tian, Gang Cheng, Feiyan Peng, Jingjing WangHigh precision and sensitivity detection of gas measurement by laser wavelength modulation spectroscopy implementing an optical fringe noise suppression method, Optics and Lasers in Engineering 166 (2023) 107570www.elsevier.com/locate/optlaseng