于國良 連航 陸星 石俊峰 張宇涵 龔欣 沈賀 徐圣奇 趙佳宇 劉波 劉偉偉

（南開大學現(xiàn)代光學研究所，天津 300071）

1 引言

大氣氣體成分監(jiān)測方法有以下幾種：化學分析法、氣相色譜分析法、質(zhì)譜分析法和光譜分析法[1-2]。其中，基于吸收光譜測量的光譜分析法具有可實時檢測、無需準備樣品等優(yōu)點[3]，它主要利用分子基團的特征吸收譜來對化合物的種類進行分析，很容易實現(xiàn)對氣體成分的實時監(jiān)測。目前，吸收光譜測量法也是星載氣體檢測儀的重要技術(shù)手段。在實際應用中，測量系統(tǒng)的光譜分辨率對吸收光譜的測量靈敏度有著重要的影響：光譜儀的分辨率越高，測得的吸收光譜強度就越強，其檢測靈敏度也越高。為滿足氣體監(jiān)測對光譜儀分辨率的要求（一般小于1cm-1），星載氣體檢測儀一般結(jié)構(gòu)復雜，體積質(zhì)量都較大。比如美國NASA的Orbiting Carbon Observatory（OCO）上搭載的光譜儀，尺寸為1 600mm×400mm×600mm，質(zhì)量達150kg。因此在星載氣體監(jiān)測領(lǐng)域，緊湊型高分辨率的光譜測量裝置是研究人員追求的目標。

在本文中，創(chuàng)新性地提出使用光纖法布里-帕羅（F-P）可調(diào)諧濾波器來提高吸收光譜的測量分辨率，從而實現(xiàn)緊湊型光譜儀的試驗方案。試驗中采用超連續(xù)光源（SLED）作為光源，通過光纖F-P可調(diào)諧濾波器的濾波功能，將超連續(xù)譜光源變?yōu)楣庾V精細度極高（光譜半高全寬約0.04nm，自由光譜范圍1.62nm）的線譜光源，結(jié)合傳統(tǒng)的吸收光譜測量方法，得到每條透過譜線的吸收率。通過掃描光纖F-P可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧電壓，改變超連續(xù)譜光源的透過波長，從而實現(xiàn)對整個吸收譜段各個波長吸收率的測量，最終得到一組完整的吸收光譜。利用分辨率約1nm的微型光柵光譜儀，成功實現(xiàn)了對甲烷吸收光譜的測量，對比未加光纖F-P可調(diào)諧濾波器的直接測量結(jié)果，該方法測得的吸收光譜強度至少提高了一個數(shù)量級，此研究成果將為緊湊型高分辨率星載氣體檢測儀的研究提供新的技術(shù)方案。

2 試驗原理

2.1 比爾-朗伯定律

當光束在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)對光的吸收會造成光強的衰減。不同介質(zhì)分子吸收峰對應的波長不同，因此不同介質(zhì)對應不同的特征吸收光譜。特征吸收光譜就像是分子的“指紋”，可以用來識別不同的介質(zhì)分子，這即是采用吸收光譜分析法進行物質(zhì)分析的基本原理[4-5]。

線性條件下，光強分布為Io(λ)的光波在濃度為N的均勻介質(zhì)中傳播距離l后，其光強的衰減可以采用比爾-朗伯定律來描述[6]，即

式中 Io(λ)為初始光強分布；I(λ)為傳播距離 l后的光強分布；σ(λ)為樣品分子對波長為 λ的入射光的光學吸收截面；N為樣品的分子濃度；l為入射光在樣品中通過的光程。這就是吸收光譜法所遵循的比爾-朗伯吸收定律。根據(jù)該定律，在已知σ(λ)和l的條件下，可根據(jù)光強的衰減來判斷樣品中的分子濃度。

2.2 光譜儀分辨率對吸收光譜峰值的影響

對于具有精細結(jié)構(gòu)的吸收光譜，采用色散型光譜儀測量得到的光譜數(shù)據(jù)S(λ)是由光源的實際光譜Io(λ)和光譜儀對單色光的響應函數(shù)R(δλ)之間的卷積決定的。即

式中 R(δλ)為高斯型；δλ為光譜儀的分辨率。當寬帶光源在樣品中傳輸一段距離后，輸出光譜為 I(λ)，此時使用光譜儀測量的光譜為

由此所測得的吸收譜為

光譜儀對單色光的響應函數(shù)R(δλ)對光譜強度A(λ)有很重要的影響。如圖1所示，某一氣體分子的吸收光譜具有精細結(jié)構(gòu)，即多個吸收峰，吸收峰的半高全寬小于0.01nm，相鄰吸收峰之間間距約為1nm。

根據(jù)式(4)，記錄了不同分辨率條件下光譜儀測量的吸收譜，如圖2所示。分別取δλ為0.1nm和0.01nm，結(jié)果表明：在相同光程和氣體濃度的情況下，當光譜儀分辨率δλ為 0.1nm，遠遠大于吸收峰的半高全寬0.01nm時，測得的吸收光譜強度將遠小于實際的吸收譜強度；當光譜儀分辨率δλ為0.01nm，其接近或達到吸收譜線的寬度，測得的吸收峰強度更高。因此，光譜儀分辨率對吸收譜強度有重要影響，進而影響測量靈敏度。

圖1 1.567μm附近吸收光譜精細結(jié)構(gòu)Fig.1 The fine structure absorption spectrum near 1.567μm

圖2 光譜儀不同分辨率測量得到的氣體吸收譜（1.567μm附近） Fig.2 The gas absorption spectrum of different resolution of spectrometer（near 1.567μm）

2.3 光纖F-P可調(diào)諧濾波器提高光譜分辨率的原理

光纖F-P可調(diào)濾波器由光纖F-P干涉儀諧振腔、壓電晶體等組成，其主要作用是實現(xiàn)選頻。如圖3所示，光束在兩個平行的高反射光纖端面多次反射發(fā)生多光束干涉而輸出窄帶光，從頻域上看是由一系列等間隔的縱模譜線構(gòu)成，每一個縱模對應一個中心波長λc，計算公式為

式中 n為腔內(nèi)介質(zhì)折射率；m為諧振波長級次；Lc為F-P干涉儀的諧振腔長，可由壓電晶體來實現(xiàn)控制。通過調(diào)節(jié)加在壓電晶體上的偏置電壓實現(xiàn) F-P干涉儀的諧振腔長的微小變化，從而改變輸出波長[7]。

圖3 光纖F-P可調(diào)諧濾波器原理Fig.3 The schematic diagram of the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

通常用以下兩個指標來衡量光纖F-P可調(diào)諧濾波器性能[8]：

（1）精細度(FR)

式中 R為F-P濾波器諧振腔端面的反射率。

（2）自由光譜范圍（FSR）

自由光譜范圍是指F-P濾波器相鄰兩個透過峰之間譜寬，即F-P濾波器的調(diào)諧范圍(如圖4所示)，一般由式（7）計算。

圖4 光纖F-P濾波器對應的透過譜Fig.4 The transmittance spectrum of the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

式中 n為折射率。

使用光纖F-P可調(diào)諧濾波器提高光譜分辨率的核心思想是：利用光纖F-P可調(diào)濾波器的濾波功能，將超連續(xù)光源變成一系列精細度極高、中心波長可調(diào)諧的線譜光源（如圖4所示），利用光譜儀的色散功能將各條線譜光源分開，得到一系列孤立的線譜，分別測量每個線譜光源在待測樣品中的吸收率；然后改變光纖F-P可調(diào)諧濾波器壓電晶體上的偏置電壓，使輸出的各條線譜光源的中心波長發(fā)生改變[9]，從圖5和圖6中可以看出，伴隨著偏置電壓的變化，透過譜線的中心波長也相應的改變；當光纖F-P可調(diào)諧濾波器的偏置電壓達到一定值時，所有透過的線譜光源都會整體單向移動一個自由光譜范圍，到達相鄰諧振階次所對應的波長位置，這樣整個待測譜段都能實現(xiàn)掃描。本文利用光纖F-P可調(diào)諧濾波器將SLED光源變?yōu)榭烧{(diào)諧的線光源，結(jié)合實驗室的微型光柵光譜儀，達到了構(gòu)建小型緊湊高分辨率的光譜測量裝置的目的。

圖5 一個自由光譜范圍內(nèi)透射峰隨電壓的變化Fig.5 The transmission peak variation w ith the voltage in a free spectral range

圖6 透射峰中心波長隨電壓的變化曲線Fig.6 The central transm ission peak wavelength variation w ith the voltage

每改變一次偏置電壓，相應測量各條線譜光源的吸收光譜，最后將不同偏置電壓下，不同諧振階次的線譜光源對應的吸收率按照波長排序，共同構(gòu)成一個完整的吸收光譜。假設(shè)完成一個自由光譜范圍內(nèi)的掃描，偏置電壓需要變化ΔU，步進間隔為ΔU0，理論上最終得到的完整吸收光譜分辨率δλ為

3 試驗測量

本文試驗以甲烷為目標氣體進行了測量。吸收光譜測量系統(tǒng)由光源、樣品池、光譜檢測裝置組成，如圖7所示。試驗中光源為超連續(xù)發(fā)光二極管，其輻射光譜的中心波長為1 620nm，譜寬為100nm（FWHM）。經(jīng)尾纖輸出的光信號通過光纖耦合器耦合到光纖 F-P可調(diào)諧濾波器中（M icron Optics FFP-TF2，57mm×26mm×14mm，56g），其自由光譜范圍為 1.62nm，透過譜線的半高全寬為0.044nm。試驗采用穩(wěn)壓電源來控制光纖 F-P可調(diào)諧濾波器的偏置電壓，完成一個自由光譜范圍內(nèi)的掃描，偏置電壓變化 ΔU為18V。樣品池為長腔型，長度為75cm，觀察窗為石英。光譜儀采用自制微型近紅外光柵光譜儀，尺寸為155mm×120mm×48mm，質(zhì)量小于2kg。試驗中以甲烷作為待測樣品，它在1 642nm附近具有較強的吸收，并且譜線具有精細結(jié)構(gòu)。

圖7 試驗裝置示意Fig.7 The schematic diagram of experimental setup

試驗中首先測量SLED經(jīng)過光纖F-P可調(diào)諧濾波器后的透過光譜，再測量參考光譜和甲烷吸收譜，并且將測量結(jié)果與未加光纖F-P可調(diào)諧濾波器的直接測量結(jié)果進行對比分析。

1）測量偏置電壓為0V條件下F-P可調(diào)諧濾波器的透過譜（如圖8所示）。圖中黑色細線是經(jīng)過F-P可調(diào)諧濾波器濾波后的光譜，紅色粗線是直接由超連續(xù)發(fā)光二極管輻射出來的光譜。為了方便對比，將直接由超連續(xù)發(fā)光二極管輻射出來的光譜強度減去25dB。從圖中可以看出，F(xiàn)-P可調(diào)諧濾波器透過譜線的峰值強度與入射光強度基本重合，說明二者成正比關(guān)系。

圖8 超連續(xù)發(fā)光二極管經(jīng)光纖F-P可調(diào)諧濾波器的透過譜Fig.8 The transm ittance spectrum of supercontinuum light em itting diode：(a) w ithout and (b) w ith the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

2）測量參考光譜。打開SLED光源預熱，同時將樣品池抽真空，再充入18kPa的干空氣，來測量參考光譜。試驗過程中，光譜儀的分辨率為1nm，采集范圍為1 625～1 660nm。根據(jù)2.3節(jié)介紹的內(nèi)容，改變F-P可調(diào)諧濾波器的偏置電壓，可以調(diào)諧其對應的諧振波長。初始電壓0V，每相鄰兩組完成一次完整的掃描過程后，得到36組數(shù)據(jù)。

圖9為F-P可調(diào)諧濾波器在偏置電壓為0V、光譜儀分辨率為1nm條件下的諧振波長光譜。由于光譜儀的分辨率數(shù)值遠遠大于F-P濾波器選透譜線的半高全寬，光譜展寬主要由光譜儀的分辨率所致，所以測量結(jié)果中透過譜線的半高全寬接近1nm。在數(shù)據(jù)處理過程中，將不同偏置電壓條件下，整個測量范圍內(nèi)（1 625～1 660nm），不同諧振階次的譜線對應的峰值強度全部提取出來，按照波長排序后得到一個完整的光譜，即為所要測量的參考譜S(λ)。

圖9 光纖F-P可調(diào)諧濾波器的諧振波長光譜Fig.9 The resonant wavelength spectrum of the optical fiber Fabry-Perot tunable filter

3）測量甲烷的吸收譜。再次將樣品池抽真空，然后充入18kPa的甲烷氣體，重復1)、2)試驗過程，最后得到對應的信號光譜()Sλ′。根據(jù)式（4）最終得到了甲烷的吸收光譜，結(jié)果如圖9中的黑色虛線所示。根據(jù)式（7）得到的吸收光譜分辨率理論上可以達到0.045nm。

此外，本文在試驗過程中還測量了未加光纖F-P可調(diào)諧濾波器情況下的光譜信號，將氣體池左端的光纖準直透鏡經(jīng)光纖直接與SLED光源相連接，采用自制微型光柵光譜儀和商用光纖光譜儀分別測量光譜分辨率為 1nm和0.1nm條件下的相同壓強（18kPa）甲烷的吸收光譜，結(jié)果分別如圖10中的紅色細實線和綠色粗實線所示。圖10中右上角的小圖是部分放大后的結(jié)果，通過對比可以看出，加光纖F-P可調(diào)諧濾波器后測量得到的光譜信號，要比對應的直接用分辨率為1nm的光譜儀測量結(jié)果高 10倍左右，其強度甚至略高于直接用分辨率為0.1nm的光譜儀測量結(jié)果。

圖10 CH4吸收光譜Fig.10 The CH4 absorption spectrum

上述試驗結(jié)果說明采用F-P可調(diào)諧濾波器和微型光纖光譜儀可實現(xiàn)高分辨率的氣體吸收譜測量，將該技術(shù)應用于文獻[3]報導的基于空芯光子晶體光纖的氣體檢測裝置，可實現(xiàn)緊湊型高分辨率氣體監(jiān)測。

4 結(jié)束語

對于具有精細結(jié)構(gòu)的吸收光譜，光譜儀分辨率對測量靈敏度有著很重要的影響。本文創(chuàng)新性地提出采用光纖F-P可調(diào)諧濾波器提高吸收光譜測量分辨率的方法，并通過試驗進行了驗證。在文中試驗條件下，使用光纖F-P可調(diào)諧濾波器后測量信號強度要高10倍，實現(xiàn)了小型化、緊湊型且具有高分辨率的氣體監(jiān)測方案，可為緊湊型高分辨率的星載氣體檢測儀的研究提供新的技術(shù)方案。

References)

[1]Stidger R W. New Technology Improves Leak Detection[J]. Gas Utility Manager, 2003, 47(4): 16-17.

[2]王化祥, 張淑英. 傳感器原理及應用[M]. 天津: 天津大學出版社, 1998.WANG Huaxiang, ZHANG Shuying. Principles and Applications of Sensors[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 1998.(in Chinese)

[3]徐圣奇, 董長哲, 劉偉偉, 等. 一種基于空芯光子晶體光纖的氣體檢測裝置研究[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(4): 1-5.XU Shengqi, DONG Changzhe, LIU Weiwei, et al. Research on a Gas Detection Device Based on Hollow-core Photonic Crystal Fiber[J]. Spacecraft Recovery & Remote Seneing, 2011, 32(4): 1-5. (in Chinese)

[4]方惠群, 于俊生, 史堅. 儀器分析[M]. 北京: 科學出版社, 2002.FANG Huiqun, YU Junsheng, SHI Jian. Instrument Analysis[M]. Beijing: Science Press, 2002. (in Chinese)

[5]Shimose Y, Okamoto T, Maruyama A,et al. Remote Sensing of Methane Gas by Differential Absorption Measurement Using a Wavelength Tunable DFB LD[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 1999, 3(1): 178-181.

[6]喬學光, 王佳, 賈振安, 等. 光纖CH4氣體傳感器的實驗研究[J]. 光電子·激光, 2009(7): 851-854.QIAO Xueguang, WANG Jia, JIA Zhenan, et al. Experiment Research for Optical Fiber Methane Gas Sensor[J]. Journal of Optoeletronics Laser, 2009(7): 851-854. (in Chinese)

[7]童杏林, 呂大娟, 劉戀, 等. 新型全光纖型可調(diào)法-珀濾波器的制備與實驗[J]. 武漢理工大學學報, 2009(1): 133-134.TONG Xinglin, LV Dajuan, LIU Lian, et al. Fabrication and Experimental Research on a New Kind of All-optical Tunable Fabry-Perot Filter[J]. Journal of Wuhan Univeristy of Technology, 2009(1): 133-134. (in Chinese)

[8]蘇立欽. 可調(diào)諧Fabry_Perot濾波器及其激光應用研究[D]. 浙江大學, 2010.SU liqin. Research on the Tunable Fabry-Perot Filter and its Laser Application[D]. Zhejiang University, 2010. (in Chinese)

[9]Irmer S, Daleiden J, Rangelov V, et al. Ultralow Biased Widely Continuously Tunable Fabry-Perot Filter[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2003, 15(3): 434-436.