强流离子源光腔衰荡光谱应用研究

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件,为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求,负离子源成为中性束注入系统的首选。光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy,CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。在强流负离子源中,利用氢负离子的光致剥离过程,CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比,CRDS具有不受电磁干扰、不依赖等离子体参数、测量精度高等优点。强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、光学谐振腔、光电探测器和数据采集系统四部分组成。本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理,详细推导了氢负离子密度的计算方法,给出了氢负离子密度测算表达式;然后,结合强流离子源实验室应用的具体情况,分析了各部分装置的选择原则与注意事项;最后,介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、日本国立聚变科学研究所、意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。实验结果表明,源腔气压、源功率等源参数会影响氢负离子密度;铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级;同时,日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。     

光反馈腔衰荡光谱技术中的数据处理

在光反馈式腔衰荡光谱技术中,光谱数据的处理因一种特殊的光谱纹波现象而变得困难。以6 590.8~6 591.6 cm-1光谱范围内水汽分子的光反馈式腔衰荡光谱为基础,根据光谱纹波效应的特性分析结果,提出了一种简单的数据处理方法。利用该方法确定了6 590.871 cm-1处水汽分子吸收谱线的线宽约为0.100 3 cm-1,这与Hitran数据库提供的线宽结果仅有0.002 cm-1的误差,充分验证了该方法的有效性。     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景。     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景.     

基于半导体激光的光腔衰荡光谱装置测定水汽含量

搭建了一套基于光腔衰荡光谱技术的光学湿度计. 通过测量水分子在1.35和1.56 μm波段不同强度的吸收线,可测定水汽的相对含量,测量范围从10^-2到低至10^-12水平. 通过与商用冷镜式露点仪的对比测量,对该装置的定量精度进行了检验. 该系统所具备的高灵敏度使得水汽探测极限可达8 pptv     

基于光腔衰荡光谱的宽范围水汽探测

介绍基于光腔衰荡光谱技术的光学湿度测量装置．该装置具有高真空兼容性,衰荡腔由低膨胀的殷钢制成,并利用其自身的自由光谱范围实现光谱的自标定．使用单个在1.39 μm的半导体激光器,实 现了从真空、高纯氦气中痕量水汽,一直到大气湿度的测量,可测量的水汽分压范围极大：0.1 μPa～1 kPa．该光学湿度计可用于作为基本水汽标准,以及测定低温下水(冰)的蒸气压．     

基于光腔衰荡光谱技术的压力计校准方法

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。     

高重复频率实时采集的光腔衰荡光谱

建立了一套脉冲激光衰荡光谱实验信号采集与处理系统。它以ＧＰＩＢ为控制和数据传输的界面，采用比国际上同类实验更合理严格的方式采集处理数据，实现了高重复频率、实时的波形信号传输、显示和处理。利用此装置测量了Ｈ２Ｏ从６２０￣６６５ｎｍ的振动泛频光谱，实验结果表明，该装置检测灵敏度达到５×１０＾－８ｃｍ＾－１。     

光腔衰荡光谱方法研究正丙醇羟基泛频光谱和分子构象

用高灵敏的光腔衰荡光谱（Ｃａｖｉｔｙ Ｒｉｎｇ－Ｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）方法探测到了正丙醇波长在６２０和７００ｎｍ附近的高激发泛频振动光谱,将其归属于分子不同稳定构象的Ｏ－Ｈ伸缩振动（ν＝４、５）泛频吸收,谱带用高斯函数模拟后得到的每一个峰都对应于分子的一个或几个稳定构象。用局域模理论（Ｌｏｃａｌ Ｍｏｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ）对同一分子的不同泛频振动（ν值不同）进行了分析指认,求出了分子羟     

光腔衰荡光谱方法探测痕量一氧化碳气体

基于通讯波段的分布式反馈半导体激光器(DFB),搭建了一套光腔衰荡光谱仪(CRDS)。衰荡光腔由一对反射率高于99.997%的高反镜组成,衰荡腔长约为130 cm,空腔衰荡时间约为150 μs。当光谱平均次数达到1 000次时,光谱仪灵敏度(最小可探测吸收系数)达到5×10-12 cm-1。利用热隔绝的方式稳定衰荡腔长,并使用衰荡光腔自身作为光学标准具,来标定光谱的频率：利用反馈式光谱扫描程序步进改变激光器频率,使之与衰荡腔的纵模频率逐一匹配,从而实现所测得光谱的自动标定。通过测量一氧化碳分子在1.565 μm附近的吸收光谱,测定气体中一氧化碳的含量。将光谱测量结果和标准样品中的一氧化碳含量进行对比,对装置的定量精度进行了检验,表明其对一氧化碳的探测极限达4 ppbv。利用该装置对实际大气中一氧化碳的含量进行了实时监测。     

衰荡光谱法测量OH自由基的理论研究

提出了一种用衰荡光谱法测量对流层OH自由基的新方法,并从理论上推 导出OH自由基浓度与衰荡时间的关系,讨论了该方法的可行性和灵敏度,分析了各种干扰因 素对测量的影响,认为该方法与传统测量OH自由基的方法相比优势较为明显。     

Vibration insensitive optical ring cavity

The mounting configuration of an optical ring cavity is optimized for vibration insensitivity by finite element analysis. A minimum response to vertical accelerations is found by simulations made for different supporting positions.     

腔长失调对光腔衰荡法测量精度的影响

只考虑腔长失调因素下建立了反射率模拟测量的理论模型。根据高斯光束传输规律分析了腔长失调对衰荡腔模式耦合的影响,推导了腔长失调与谐振腔输出脉冲信号、衰荡信号与反射率之间的关系,模拟了腔长失调在±10mm范围内的光脉冲衰荡现象。结果表明：对于光敏面直径为0.2mm的高速探测器,为了保证10-6的测量精度,腔长的失调量应控制在±1mm之间。在光路调节中采用具有对数变换功能的示波器和动态范围较大的探测器,可以提高测量精度。     

环形腔振动敏感度的研究

为了降低环形腔的环境振动敏感度,设计了一个四柱支撑环形腔。利用有限元数值模拟的方法,通过改变支柱的支撑位置和支柱直径,对环形腔进行数值模拟,得到了环形腔光程变化量随各参数变化的关系曲线。结果表明,通过选择适当的支撑位置和支柱直径,可以使得光程变化量趋近零,光程对振动不敏感。该方法对于高稳定环形腔的设计具有重要的指导意义。     

任意球面元件的超高反射率测量方法

为了实现任意球面元件的超高反射率测量,提出直腔和折叠腔两种光腔结构,以实现0,10,15和30等不同角度下球面元件的超高反射率测量。详细分析了这两种测量方式,根据光束传输变换公式,推导了任意球面元件在测量中引入的衰荡光腔物理腔长的变化,得到了实验测量中腔长调节指导。并根据光腔衰荡法原理,推导了球面元件在超高反射率测量中的通用数学表达式,对测量公式进行了讨论,分析结果扩展了光腔衰荡法在元件超高反射率测量的使用范围。     

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10~(-12).     

A compact optical heterodyne interferometer by optical integration and its application

A compact high-resolution optical heterodyne interferometer combining a two-frequency light module and a minute optical system is described. The light module, which generates two independent frequencies of light, is fabricated by proton exchange method on LiNbO₃ substrate. We report an experiment evaluating measurement accuracy using a micro-displacement measurement system which incorporates this interferometer. Results of the experiment with a standard thickness sample show high thermal stability with maximum measurement error of 1.8 nm at a temperature from 19°C to 33°C. The system was used to measure the hysteresis of a piezoelectric element for displacements of several nm, thereby making it possible to analyze the system quantitatively in practice.     

The study of third harmonic demodulation in phase modulation optical heterodyne technique using optical resonator

With the technique of phase modulation optical heterodyne(PMOH), we detected the beat-frequency signal of the reflected wave from a F-P cavity. The frequency of the beat signal was three times of that of the modulation electric field, when the 3rd harmonic of the modulation electric field was used as the phase reference signal. The line shapes of the signal match those of the theoretical calculations, and the dispersion signal has good frequency-discrimination characteristic.     

Theoretical studies on beam parameters of a self－start ring cavity Ti：sapphire laser

Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｂｅａｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ ｓｅｌｆ－ｓｔａｒｔ ｒｉｎｇ ｃａｖｉｔｙ Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ ｌａｓｅｒ￥ＺＨＡＮＧＧｕｉｚｈｏｎｇ；ＺＨＥＮＧＸｕｅｍｅｉ；ＷＡＮＧＱｉｎｇｙｕｅ（Ｄｅ...     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.