紫外光波长强度检测仪

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。

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

激光技术的发展让人类的视野不断拓宽。但多少年来，波长小于200nm的深紫外波段，一直是个神秘又难以逾越的坎。　　200nm上的这堵“墙”把人类挡在了外面。由于深紫外激光源的缺席，许多重要的科学研究只得搁置。　　但中科院的一群科学家不能接受这样的现实。30年来，他们不但找到了深紫外光学材料和激光源，还研制出8台深紫外固态激光源装备。自2008年启动以来，“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”进展顺利，多台仪器已初步用于前沿科学研究。　　正如项目首席科学家、中国工程院院士许祖彦所说：“上帝没有给我们一个这么好的光源，我们就要自己去找。”　　突破200nm　　上世纪90年代初，非线性光学晶体接连将Nd：YAG激光波长从近红外拓展到可见光，甚至近紫外波长区。这带给人们一种隐约的希望：如果能找到一种晶体，使激光波长拓展到深紫外光谱区，人类将有望认识一个前所未有的世界。　　在这样的背景下，中国科学家介入了这一课题。　　“80年代我们获得了第一批国家科研基金，15万元。”项目首席科学家、中科院院士陈创天告诉《科学时报》记者，虽然现在看来这笔钱并不多，但当时已是很了不起的事了。　　在这笔经费的资助下，陈创天的研究如虎添翼。1991年，他在发现硼酸盐系列非线性光学晶体后，运用分子设计工程学方法发现了KBBF晶体。5年后，他证实了此晶体可实现深紫外相干光输出，最短波长达到184.7nm。　　从此，深紫外的时代开启了。在此基础上，陈创天研究组于2005年陆续发现了RBBF、CBBF等非线性光学晶体，从而拿到了完整的KBBF族非线性光学系列晶体。　　许祖彦则形容自己的工作是“二传手”。深紫外非线性光学晶体问世后，如何将其研制成实用的精密化激光源，并配合后续的仪器研制，是他面临的最大难题。　　但20多年前，中国大陆还没有这方面的实验装置，陈创天和许祖彦不得不跑到香港科技大学，借用了他们的实验室。两个人窝在实验室里，每天工作到深夜一两点，终于搞出了KBBF晶体棱镜耦合装置。目前，该装置仍是该晶体唯一的实用化技术。　　之后两人密切配合，在国际上首次实现KBBF晶体倍频输出深紫外激光，并最终发展出实用化的深紫外固态激光源。　　2009年，英国《自然》杂志发表评论文章称，KBBF晶体“真是一块完美的晶体，它确实可促使某些领域向前发展”。　　“看到图像的那一刻，什么都值了”　　深紫外光源的问世尽管已经震惊世界，但对许祖彦来说，他的工作才只做了一半。　　“科技发展如此之快，为保证我们的仪器始终保持领先，科研人员必须不断调整技术方案。”项目工程总体部总经理、中科院理化所研究员詹文山说。为此总体部还设立了一个工程监理部，这在国内的科研项目中都很少见。　　对这种经常要推翻重来的工作方式，许祖彦表示“很理解”。在3年多的时间里，他的团队满足了仪器研制人员变更技术方案的多项技术要求，解决了光源与8台仪器对接的工程问题。　　中科院大连化学物理研究所研究员傅强是“深紫外激光光发射电子显微镜(PEEM)”子项目的负责人。“PEEM就像一条美人鱼，‘头’是电子发射技术，‘尾’是电子显微镜技术。这种技术可对物质表面结构、电子态、化学反应等进行原位、动态研究，在化学、物理、材料等领域有着重要应用。”　　但是，现有的PEEM激发光源为气体放电光源或者同步辐射光源，这些光源亮度较低，空间分辨能力一般只能达到20～50nm，限制了PEEM的广泛应用。　　2007～2009年，傅强等人利用深紫外激光高能量、高光束流强度、相干性等优点，研制出一套性能优越的深紫外激光PEEM系统。利用这台仪器，大连化物所已在石墨烯原位生长、界面限域化学反应等领域取得了一些初步成果。　　“我们第一次做这种仪器，中间遇到很多困难，有半年多的时间情绪也很低落。”傅强坦陈，“不过2009年夏天，我们第一次看到了显微镜成像图，那一刻觉得什么都值了。”　　与深紫外光电子发射显微镜类似，深紫外拉曼光谱仪、深紫外激光光化学反应仪、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、深紫外激光原位时空分辨隧道电子谱仪、基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪均达到国际领先水平。另一台光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪也基本研制完成，正在调试当中。　　不过，对更多的中国科研工作者和社会公众来说，这个总投资1.8亿元人民币的项目，究竟有着怎样的应用前景?　　以“短”见长的深紫外　　目前已有的深紫外光源一类是准分子激光器，另一类是同步辐射光源。准分子激光器脉宽宽，难以满足激发态快速动力学过程的研究 而同步辐射光源虽具有较快的时间分辨，但装置体积巨大，科研人员只能把实验搬过去做，带来许多不便。　　深紫外固态激光源在时间、空间和能量分辨率上，都有着绝对优势。“更重要的是，这些仪器装备将来有望小型化，甚至可以进行市场化推广。”中科院院士李灿介绍。　　李灿负责研制的深紫外拉曼光谱仪就是一个例子。目前这台仪器已初步应用于催化、材料、能源、生物、环境等领域。在水污染检测中，仪器灵敏度达到了环境水污染国际最低检测限。“只要一滴水就能检测水污染。”　　詹文山透露，目前2mm以下的KBBF晶体已可小批量生产，满足国内市场需求。受国家工业水平限制，8台仪器还不能全部实现商业化，但中科院已在考虑选取其中的1至2个，逐步进行产业化的尝试。　　2006年，时任中科院院长路甬祥在中科院物理所考察时曾说：“如果没有仪器设备的自主创新，也很难有新的理论上的突破。一种新仪器新装备的诞生，往往是打开一个新方向新领域的关键桥梁。”　　这句话，许祖彦一直记得，项目团队的每一个成员也记得：“这些年来，我们证明了‘材料—器件—装备—科研—产业’的自主创新链是可行的，也证明了中科院此类研究性和工程性均很强的科研项目是可行的。”