近日，哈爾濱工業大學馬欲飛教授領導的團隊在《Light：Advanced Manufacturing》上發表了一篇題為《Fabry-Perot based phase demodulation of heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy》的論文。論文介紹了一種使用法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Pérot Interferometer，簡稱FPI）的外差光致熱彈光譜 (Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy，簡稱LITES) 相位解調方法。通過對FPI的振動進行外差相位解調，從理論和實驗上驗證了在一定條件下FPI的相位僅與微振動有關、與探測激光功率無關、對探測激光波長微小變化不敏感，從而大大改善了系統的長期穩定性。與傳統的強度解調系統相比，新的相位解調方法結構簡單，并且在使用LITES技術時能夠抵抗光源和周圍環境的干擾。
基于Fabry-Pérot的H-LITES相位解調系統結構示意圖
LITES提供極高靈敏度和非接觸式測量，使其成為適用于多個不同領域的有用傳感技術。然而，傳統LITES的檢測性能受到熱噪聲的限制，尤其是在使用高功率激光器時。隨著激光功率的增加，電信號中的激光輻射呈指數放大，限制了LITES傳感器的信噪比(SNR)和最小檢測限。
研究人員推測，避免熱噪聲影響的一個潛在解決方案是解調石英音叉(QTF)的振動，該石英音叉在LITES中用于檢測振動，以代替電信號。
該團隊使用法布里-珀羅（Fabry-Pérot，簡稱F-P）解調代替QTF的電解調。FPI被認為是一種安全、遠程、靈敏、抗電磁干擾的微振動測量裝置。
通常，強度解調方法用于法布里-珀羅微振動傳感器，并且由于環境干擾和激光波長的擾動，信號可能變得不穩定。
由于FPI容易受到干擾，研究人員開發并測試了一種相位解調方法，該方法可能為控制 H-LITES不穩定性方面提供有效的解決方案。
該圖顯示了使用相位解調方法的基于FPI的H-LITES傳感器的功率和波長響應。(a) 采用相位解調方法，H-LITES信號峰峰值基本一致，平均值為55.54°，標準差為0.64°。相位解調方法不受激光源的干擾，即使使用低功率探測激光器也能產生出色的檢測性能。(b) 峰峰值在 1536至1555 nm波長范圍內保持恒定。相位解調方法近似與波長無關，在任何波長下具有相同的靈敏度；它不需要將波長固定在Q點，并且不受激光波長干擾。使用FPI中的相位解調方法可以克服環境干擾造成的Q點漂移。
為了防止QTF引起的電信號中的熱噪聲，研究人員使用具有單模光纖端面和音叉尖頭一側的FPI來測量QTF的周期性振動。Fabry-Pérot腔的長度根據光致熱彈性能量轉換對音叉振動的影響而變化，從而導致FPI相位發生變化。
由氣體吸收引起的QTF振動是通過使用強度和相位解調方法解調法布里-珀羅腔長度的位移來反演氣體濃度來確定的。由于QTF的振動與氣體濃度成正比，因此可以通過解調相位來線性反演濃度。
研究人員使用H-LITES來驗證傳感器性能。在實驗中，他們優化了影響外差信號的參數，包括激光調制頻率、調制深度、激光波長掃描上升時間、幅度和鎖定放大器的檢測帶寬。
采用強度和相位解調方法，基于FPI的1f（即QTF頻率的一次諧波）H-LITES信號的信噪比分別為722.92和864.29。結果表明，相位解調方法比強度解調方法提供了更好的檢測性能。
研究人員使用強度和相位解調方法來確定基于FPI的1f H-LITES傳感器的濃度、功率和波長響應以及長期穩定性。他們發現相位解調方法比強度解調方法提供了更好的濃度響應線性和更好的長期穩定性。
該圖顯示了基于 FPI 的 H-LITES 傳感器的長期穩定性。(a) 使用強度解調方法，H-LITES信號的峰峰值隨時間逐漸減小。穩定性較差。(b)使用相位解調方法獲得的H-LITES信號的峰峰值一致，表明基于FPI的相位解調方法的H-LITES具有優異的系統穩定性。
研究人員驗證了FPI的相位與微振動有關。與強度解調方法相比，使用相位解調方法獲得的峰峰值與探測激光功率和波長無關。因此，不再需要穩定正交工作點（Q 點）。
基于FPI的H-LITES采用相位解調方法表現出良好的系統穩定性，并且能夠解決由環境干擾而導致的Q點漂移問題。研究人員表示，相位解調方法不受激光源和波長的干擾，即使使用低功率探測激光器也能產生出色的檢測性能。
據《激光制造網》了解，這項研究成果有望在高靈敏度LITES氣體傳感、F-P腔傳感器等相關領域中起到重要的作用。
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