基于法布里-珀罗相位解调的外差光诱导热弹性光谱仪

CW-DFB（连续波分布式反馈）；FC（光纤准直器）；PD（光电探测器）；QTF（石英音叉）；SMF（单模光纤）。资料来源：郎紫婷、乔顺达和马宇飞

痕量气体传感器应用于不同领域。光诱导热弹性光谱法（LITES）具有极高的灵敏度，并提供非接触式测量，吸引了广泛的研究关注。一般来说，电信号振幅随着激光功率的增加而线性增加。

然而，激光照射电信号时产生的热噪声会随着激光功率的增加而成倍放大，从而限制了 LITES 传感器的信噪比 (SNR) 和最小检测限 (MDL)。

一种潜在的解决方案是解调 QTF 的振动来代替电信号。法布里-珀罗（F-P）干涉仪（FPI）是一种安全、远程、灵敏、抗电磁干扰的微振动测量设备。F-P 微型振动传感器通常采用强度解调方法。由于环境干扰和激光波长的干扰，信号变得不稳定。

在发表于《Light：先进制造》（Light: Advanced Manufacturing）上发表的一篇新论文中，由中国哈尔滨工业大学航空航天系国家可调谐激光器科学与技术重点实验室的马宇飞教授领导的科学家团队及其合作者开发出了一种基于 F-P 相位解调的外差式 LITES（H-LITES）。

a, 使用相位解调方法，H-LITES 信号的峰峰值基本一致，平均值为 55.54°，标准偏差为 0.64°。相位解调法不受激光源的干扰，即使使用低功率探针激光也能产生出色的检测性能。b, 在 1536 nm 至 1555 nm 波长范围内，峰峰值保持不变。相位解调方法与波长近似无关，在任何波长下都具有相同的灵敏度；它不要求波长固定在 Q 点，并且不受激光波长干扰的影响。利用 FPI 中的相位解调方法，可以克服环境干扰造成的 Q 点漂移。资料来源：郎紫婷、乔顺达和马宇飞

a，使用强度解调方法，H-LITES 信号的峰峰值随着时间的推移逐渐降低，稳定性较差。b，使用相位解调方法，H-LITES 信号的峰峰值保持一致，这表明使用相位解调方法的基于 FPI 的 H-LITES 具有出色的系统稳定性。作者：郎紫婷、乔顺达、马宇飞

F-P 腔由单模光纤的端面和 QTF 的棱边组成。当 QTF 在光引起的热弹性作用下振动时，F-P 腔的长度会发生变化，从而改变相位。由于 QTF 的振动与气体浓度成正比，因此可以通过解调相位来线性反转浓度。

与直接从电信号获得的 H-LITES 信号相比，基于 FPI 的信号具有更高的信噪比。相位解调法比强度解调法具有更好的检测性能、线性响应和长期稳定性。

使用相位解调方法，信号的峰峰值与功率和波长无关。相位解调方法不受激光源和波长的干扰，并能解决因环境干扰导致的 Q 点漂移问题。

参考资料
 

Ziting Lang et al, Fabry–Perot-based phase demodulation of heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.023

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