基于WM的离轴积分腔输出光谱技术研究姚叡，单明广**（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,哈尔滨150001）510152025303540摘要：为了进一步提高传统吸收式光纤气体传感器的探测灵敏度，采用高精细光学谐振腔的反射型气室，使有效吸收光程大大增加，从而提高检测灵敏度。通过将激光光束离轴注入光学谐振腔中，可以消除腔的膜式噪声。本文分析了积分腔输出光谱技术的理论模型和离轴方式的优点，并且结合波长调制（WM）技术进一步提高信噪比。最后仿真分析了结合WM的离轴积分腔输出光谱技术的噪声情况。关键词：光学工程；波长调制；积分腔；离轴中图分类号：TN29Theresearchofoff-axisintegratedcavityoutputspectroscopybasedonWMYAORui,SHANMingguang(Collegeofinformationandcommunicationengineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001)Abstract:Inordertofurtherimprovethedetectionsensitivityoftraditionalabsorptionopticalfibergassensor,thispaperusesthehighfinessecavitytoconsiderablyincreasesthedistanceoflighttransmission,whichcanimprovedetectionsensitivity.Bypouringlaserintothehighfinessecavityinanoff-axisway,canreducethenoisecontributionsfromcavity’sresonancefluctuation.Thispaperexploresthetheoreticalmodeofintegratedcavityoutputspectroscopyandadvantagesofoff-axismode.Besides,sensitivityenhancementofusingwavelengthmodulation(WM)isanalyzed.ThispaperalsoanalysisthatthemaximumSNRenhancementwillbeattainablebytheapplicationofWMinoff-axisintegratedcavityoutputspectroscopyspectrometers.Keywords:opticalengineering;wavelengthmodulation;integratedcavity;off-axis0引言为了提高传统吸收式光纤气体传感器的探测灵敏度，从增强信号或抑制噪声的角度发展了许多新技术。现在比较常用且效果明显的噪声抑制方法主要有调制光谱技术。信号增强的方法主要有长程吸收和高精细腔光谱技术等等。腔衰荡吸收光谱（cavityring-downspectroscopy,CRDS）和腔增强吸收光谱（cavityenhancedabsorptionspectroscopy,CEAS）是基于高精细光学腔提出的，能够有效提高吸收路径的新方法。积分腔输出光谱技术（integratedcavityoutputspectroscopy,ICOS）与CEAS原理相同。离轴积分腔输出光谱（off-axisintegratedcavityoutputspectroscopy,OA-ICOS）技术采用周期性破坏腔的共振，实现不同频率光强平均透过，利用透过腔的时间积分光强分析浓度信息，与传统的直接吸收光谱类似。ICOS系统具有分辨率高、响应迅速、结构简单、受外界环境干扰较小，光路调节更加简单等优点[1]。结合波长调制（wavelengthmodulation,WM）技术测量二次谐波峰值信号，可进一步提高系统的信噪比。本文分析了OA-ICOS的原理，仿真分析了基于WM的ICOS系统的噪声水平，说明在高精细光学腔技术中应用波长调制可以有效提高系统的信噪比。作者简介：姚叡(1988-),女,硕士,光电检测通信联系人：单明广(1979-),男,副教授,光电检测与仪器、光电信号信息处理、衍射光学设计及应用等.shanmingguang@hrbeu.edu.cn-1-1OA-ICOS技术的理论模型分析1.1积分腔光谱技术的基本原理在ICOS系统中，周期性破坏腔的共振，因此透过光强叠加。当有一束强度为Iin的光入45射到长度为d的光学腔当中，通过两个反射率为R的反射镜。假设不考虑其他噪声，光在传输过程中只存在，由于不完全反射的损失(1-R)和在每次传输过程中在腔体内的损耗(1-L)，那么最后出射的光强可以表示为下列累加求和[2]：IIin1R1L1RIin1R1LR1LR1L(zerothpass)501R(firstpass)22n1L2n1(nthpass)2当R<1，并且L<1时，式1可以写成如下形式：n02n(1)IIin22(2)55在空腔无吸收时透过光强I即为I0，I0可表示为：I0Iin1R1R(3)假设每次传输过程中光强在腔内的损失只是由比尔-朗伯定律描述的吸收所决定，那么式中的1-Lexpd，吸收系数可以表示为：d11ln2I22I...