第25卷，第3期 光谱学与光谱分析Vol 125,No 13,pp473-476
2005年3月 Spectroscopy and Spectral Analysis
M ar ch,2005
利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究
董 磊，马维光，尹王保，李昌勇，贾锁堂
山西大学物理电子工程学院，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西太原 030006
摘 要 利用数字锁相放大器探测了甲烷气体位于610513694cm -1处的弱吸收线的高次谐波，并通过计算机实现了对数字锁相放大器的远程控制，用V isual Basic 610编制了一套通信应用程序，界面友好。实验结
果与理论分析相吻合，充分验证了数字锁相放大器用于探测微量气体直接吸收光谱的高次谐波，能获得相当好的信噪比。可利用此结论对弱吸收线进行探测，从而为高灵敏探测污染气体提供了一种简单有效的实验方法。
主题词 锁相放大器；谐波探测；波长调制；计算机控制；甲烷；吸收线中图分类号:O43311;T H74411 文献标识码:A 文章编号:1000-0593(2005)03-0473-04
收稿日期:2003-09-12，修订日期:2004-02-10
基金项目：国家重大基础研究前期研究专项(2002ccc02500)、山西省科技攻关项目(002096)和山西省留学基金(2001110-2003112)资助 作者简介：董 磊,1979年生，山西大学物理电子工程学院在读研究生
引 言
随着科学技术和生产的发展，存在着大量的淹没在噪声
背景中的微弱信号需要检测。当实际测量一个被测信号时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了被测信号的精确性和灵敏度，此时就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号，而数字锁相放大器就是这种仪器的代表。伴随着计算机技术、CRT 显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的变革。人们可以通过计算机和网络对仪器进行远程控制，利用计算机对数据进行实时处理，给工作带来了极大的方便。
本文通过对外腔式二极管激光施加低频交流电压，控制其反馈镜的压电陶瓷[1-4]
，实现输出光连续可调谐的低频波长调制，测量了甲烷气体位于610513694cm -1处的吸收光谱，通过计算机控制数字锁相放大器进行数据采集，结果表明二次谐波探测的信噪比有较大的改善，而高次谐波探测较常见的探测方法具有更高的信噪比。
1 理论背景
频率为M 的单色激光强度为I 通过一个长为L 的气体吸收介质，根据Beer -L ambert 定律
I (M )=I 0(M )ex p (-A (M )L )
(1)
这里I 0(M )和A (M )分别是频率为M 的气体入射光强和吸收
系数，对于弱的吸收谱线，当
A L F 0105(2)
我们可把出射光强近似为
I (M )U I 0(M )[1-A (M )L ](3)
如果用角频率为X 正弦信号叠加到反馈镜的压电陶瓷
折小狗
上，会导致光频随时间变化
M (t)= M +a cos X t (4)
在分析中假定入射的激光光强在测量谱线的窄带范围内与频率M 无关
I 0(M )µI 0(M )µI 0
(5)
M 0是线中心的红外频率。
A ( M +a cos X t)是一个偶函数，能展成F ourier 余弦级数
A ( M +a cos X t )=
E ]
n=0
H N (
M )cos n X t (6)
这里 M 在调制期间被看作是一个常数,H N ( M )是调制吸收系
数的第N 次Fourier 系数。如果从吸收池出射的激光束被聚焦到探测器上，那么通过锁相放大器探测调制频率的第N 次谐波就能取出各自的Four ier 项。在这种情况下，被处理的信号就正比于
I 0H N ( M )L ,N E 1
(7)
如果调制幅度a(a =m $M 0,m 调制系数,$M 0为线宽)
足够小,Four ier 系数可表示为[1]
H n ( M )=
21-N N !a N d N A (M )
十二点打一字
d C
bi
N |M = M ,N E 1(8) 对于N 次谐波探测信号，其信号的幅度可用下式表
示[1
-4]
S N =I 0L
21-N N !
a N
n R abs g (N )(M )(9)
n 为气体密度, R abs 为吸收截面,g (N )(M )是线性函数的N 阶
导数。
所以对于弱的吸收谱线的谐波信号，常常被称做微分光谱。
过期的啤酒有什么用处2 实验装置
试验装置如图1，我们利用L ittman 结构外腔式二极管激光器(ECDL ，德国Sacher T EC500)作泵浦源，其工作原理见文献[5,6]，波长在1570~1640nm 连续可调谐，激光头的工作温度为17e ，固定输入电流为80mA，输出功率为115mW，输出激光在短时间内线宽小于2M Hz 。实验中采用电压调制的方法，其过程为把调制电压加到激光器外腔的反射镜后面的压电陶瓷上，使反馈镜产生振动，引起输出激光波长的变化。压电陶瓷的预置直流偏压为3213V 左右，电压的调制度为017GHz #V -1。调制信号取自锁相放大器(美SR830)的内部振荡器输出的正弦电压。函数发生器(Aglent33120)产生频率为500M Hz，幅值为0185V 的三角波，作为漫扫信号，与调制信号叠加后送入激光控制器的F M 输入端。激光控制器将外部电压放大10倍后加到压电陶瓷上，使激光输出频率扫描范围为6G，中心波长为1637190nm(真空中)的红外光。函数信号发生器输出的同步方波置入锁相放大器的T RI G 输入端，作为锁相放大器内部存储数据的内部信号，锁相放大器(SR830)可以探测任何n F 19999次谐波，只要n 次谐波频率值不超过102kHz 。谐波探测的
转换可通过改变锁相放大器的谐波选择来实现。
Fig 11 Schematic diagram of experiment tup
吸收池长30cm，两端的窗口材料为透红外的石英玻璃。
七手八脚是什么意思>李师道对吸收池抽真空至15Pa 后充以9919%的CH 4气体，压强为6510P a 。探测器为HAM AM AT SU 的G8605-23InGaAs 。本身带有电子致冷元件，探测器温度控制在-25e ，其等效输入功率NEP=1@10-14W #(Hz)-1/2
。
3 实验结果与分析
311 利用微机对锁相放大器进行远程控制
SR830锁相放大器提供了RS232和G PIB(IEEEE -488)两种接口。任何支持这两种接口的计算机都能被使用和SR830进行通信。SR830还提供了齐全的控制指令，微机可以实现全部功能的远程控制。
在本实验中我们使用了SR830的RS232接口与微机的
串口连接，进行通信。锁相放大器作为数据通信设备(DCE),
支持CT S/DT R 硬件握手协议，使用ASCII 码与微机进行通信。SR830的每一条命令由指令、参数以及命令中止符组成,
共占四个字符。微机一次可送出多条命令，每条命令之间用/;0隔开，两条命令之间不需要等待，因为SR 830内部有256个字符的输入缓冲区，它会自动按缓冲区中命令的次序逐条执行。同时SR830也有
256个字符的输出缓冲区，在主机还没有准备好接受的情况下去存储输出的命令。函数发生器产生的同步触发方波信号由SR830的T R IG 接口导入，以保持每次测得的数据在时间上的一致性。
Fig 12 The appearance when the programm e is running 以前SR830与微机的通信程序大多是用QBA SIC 或C 语言编写的，它们只可以运行在纯文本的环境下，但并不支持当今的图形接口。对于当今的Windows 操作系统，程序必须能够与屏幕、键盘、鼠标以及打印机进行图形式的交互。由此我们用Visual Basic 610编写了一套应用程序，可实现对SR830的远程控制和数据读取，并可实现及时作图，同时把采集到的数据存成纯文本的格式，便于利用其他数据处理软件(如Orig in 611,Ig or Pro )进行后期数据处理。图2为应用程序运行时友好的交互式界面。
Fig 13
The direct absorption spectra of methane near 610513694cm -1in theory
面包怎么做
,,,M =610513694cm -1;---,M =610516259cm -1;-#-,M =610516261cm -1;))),mul t-i line profiles
312 吸收谱线的选择
图3是在假定温度为296K ，压强为6151kPa，样品池长度为30cm 情况下，根据H IT RAN 数据库查到的甲烷在610513~610618cm -1之间的吸收线位置和展宽系数计算出来的理论吸收线。本过程采用了
一种优化的方法计算
474 光谱学与光谱分析 第25卷
泰式青木瓜沙拉Voig t 函数[7]。图中虚线分别为中心位于M =610513694cm -1
,M =610516259cm -1
,M =610516261cm -1
的三条吸收线，实线为叠加线轮廓。我们看到位于M =610516259cm -1,M =610516261cm -1的两条线吸收系数很大，不适于用上面介绍的微分光谱理论来解释，见式(2)；而位于M =610513694cm -1谱线吸收系数很小(A L U 01003)，符合近似的条件，高次谐波可近似成微分光谱去研究。因此，我们在本文的实验中选取了它作为研究对象。313 信噪比的分析
我们获得了甲烷二次、四次、六次谐波信号如图4所示。实验样品压强为6151kPa，压力展宽占优势[8]，因此对于2f ,4f ,6f 信号理论上调制系数的最佳值[9]分别为212,319,714。实验数据与理论比较符合较好。考虑到随着调制系数的增加，将导致信号的调制展宽，它直接影响信号探测的分辨率[10]。因此在实验中,
选择调制系数的值使二次谐波
Fig 14 The 2f,4f and 6f measured harmonic signals 2f (m=
212),4f(m=319),6f (m=714)
信号的值最大。比较2f ,4f ,6f 谐波信号，发现谐波的信号越高，信号的信噪比越高。实验结果2f 的信噪比为523,4f 为1331,6f 为1888，在此实验条件下，吸收灵敏度可达10-5[11]。
放大图4，我们将发现谐波信号并不是完全对称的，有轻微的变形，这可能是由于激光器在受波长调制的同时还伴有幅度调制[12]。对于实验中所有的谐波信号，我们都应该调节锁相相位使之幅值达到最大，以减小能量起伏的影响。而选择不同的调制频率，对信号的信噪比也将会有很大的影响。基于L ittman 结构外腔式二极管激光器是利用压电陶瓷控制后镜的倾斜角的，由于机械部分的作用，决定了这种采用外部电压调制激光波长的方法只能在低频下工作。在波长调制光谱中，通常采用高频调制以减小低频噪声(1/f 噪声)，考虑到波长调谐范围，这里选择的调制频率为900Hz 。
4 结 论
用于微弱信号检测的锁相放大器是基于相关检测技术的相敏检测装置。相关检测是频域信号的窄带化处理方法，是一种积分过程的相关测量。它利用信号与外加信号的相关特性，这种特性却是随机噪声
所不具备的，达到去除噪声的一种技术。由于数字锁相放大器花费小，重量轻，能用计算机进行远程控制，运行可靠的优点，它已经被逐渐运用到光谱学、环境学等各个领域。本文正是利用数字锁相放大器这种有力的工具，对甲烷位于610513694cm -1处的吸收线进行谐波探测，获得了高灵敏度的吸收光谱。由于波长调制的频率较低，系统仅需要低带宽的探测器，因而不需要快速的光电探测器。同时调制压电陶瓷电压比电流调制引起的输出光能量起伏小1~2个数量级，背景噪声较小，探测灵敏度进一步提高。如果采用平衡探测器，能量起伏的影响会继续降低，谐波信号的灵敏度会进一步改善。对于信噪比我们从上面的讨论中发现，谐波次数越高，信噪比越高，且线宽窄，可利用此结论对非常弱的吸收线进行探测，从而为环境检测提供了一种简单有效的实验方法。以上技术也可应用到分子
结构研究和工程过程的控制当中，尤其在气体的微量检测方面有着广阔的应用前景。
参
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Experimental Study on Harmonic Detection of Methane by U of a Digital Lock-In Amplifier
DONG Lei,M A We-i guang,YIN Wang-bao,LI Chang-yo ng,JI A Suo-tang
College of Physics and Electronics Eng ineering,Shanx i U niv ersity,State Key L aboratory of Q uantum Opt ics and Q uantum Optics Devices,T aiyuan030006,China
Abstract T he harmonic detect ion of methane at610513694cm-1was measur ed by u of a digital lock-in amplifier(SR830) r emotely contr olled by a computer.T he pr ogramme w as w ritten by V isual Basic610becau it has strong function and a fr iendly appear ance.T he ex perimental results are in agreement w ith theoretical analysis,which fully confirms that a better sig na-l to-noi ratio (SNR)can be achieved in the high-harmonics detection of trace gas by the digital lock-in amplifier.T he method can be applicable to t he highly nsitive detection of pollution gas.
Keywords Lock-in amplifier;Harmonic detection;Waveleng th modulation;Computer control;M ethane;Absorption line
(Received Sep.12,2003;accepted F eb.10,2004)
