Fabry-Perot-basierte Phasendemodulation der heterodynen lichtinduzierten thermoelastischen Spektroskopie

Spurengassensoren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Die lichtinduzierte thermoelastische Spektroskopie (LITES) verfügt über eine extrem hohe Empfindlichkeit und ermöglicht eine berührungslose Messung, was große Aufmerksamkeit in der Forschung auf sich zieht. Im Allgemeinen steigt die elektrische Signalamplitude linear mit zunehmender Laserleistung.

Allerdings nimmt das durch Laserbestrahlung in elektrischen Signalen verursachte thermische Rauschen mit zunehmender Laserleistung exponentiell zu, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die minimale Nachweisgrenze (MDL) eines LITES-Sensors eingeschränkt werden.

Eine mögliche Lösung besteht darin, die Schwingung des QTF anstelle des elektrischen Signals zu demodulieren. Fabry-Perot (F-P)-Interferometer (FPI) sind sichere, entfernte, empfindliche und antielektromagnetische Interferenzmessgeräte für Mikrovibrationen. Für F-P-Mikrovibrationssensoren wird typischerweise das Intensitätsdemodulationsverfahren verwendet. Aufgrund von Umgebungsinterferenzen und Störungen der Laserwellenlänge wird das Signal instabil.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Fortschrittliche Fertigungein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yufei Ma vom National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser, Department of Aerospace, Harbin Institute of Technology, China, und Kollegen haben eine F-P-basierte Phasendemodulation von Heterodyn entwickelt LITES (H-LITES).

Der F-P-Hohlraum besteht aus einer Endfläche einer Singlemode-Faser und einer Seite eines Stifts des QTF. Wenn der QTF aufgrund der lichtinduzierten Thermoelastizität vibriert, variiert die F-P-Hohlraumlänge. somit ändert sich die Phase. Da die Schwingung des QTF proportional zur Gaskonzentration ist, kann die Konzentration durch Demodulationsphase linear invertiert werden.

Im Vergleich zum H-LITES-Signal, das direkt aus dem elektrischen Signal gewonnen wurde, hatte das auf FPI basierende Signal ein größeres SNR. Die Phasendemodulationsmethode kann eine bessere Erkennungsleistung, ein lineares Ansprechverhalten und eine bessere Langzeitstabilität erzielen als die Intensitätsdemodulationsmethode.

Bei Verwendung des Phasendemodulationsverfahrens sind die Spitze-zu-Spitze-Werte des Signals unabhängig von Leistung und Wellenlänge. Die Phasendemodulationsmethode ist immun gegen Störungen durch die Laserquelle und die Wellenlänge und kann das Problem der Q-Punkt-Drift aufgrund von Umgebungsstörungen lösen.