第34卷，第2期 2014年2月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 34 ,No. 2 -pp472-476 February2014
博来器博来马维光，季志新，谭撬，付小芳，赵刚，董磊，张雷，尹王保，贾锁堂
山西大学激光光谱实验室，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西太原030006
摘要激光光谱技术由于其高灵敏、高分辨、可在线检测等优点被广泛的应用与痕量气体探测领域，而频率调制光谱（FMS技术由于其除了探测灵敏度高的优点外且可同时探测气体样品的吸收和色散，通常还被应用于原子分子物理、量子光学等领域。发展全光纤FMS可以在保持气体探测灵敏度的同时有效简化实验装置，然而FMS是一项偏振态敏感技术，光纤温度变化等引起不适当的偏振态变化会诱发残余幅度调制（RAM），该RAM不仅使FMS线型扭曲，同时对其色散信号产生直流偏置，因此研究光纤温度对RAM特性的影响具有非常重要的意义。研究首先通过理论和实验验证了相位可控波片模型解释保偏光纤特性的可行性，然后实验测量了进人电光调制器（EOM)前保偏光纤温度对RAM的影响，发现由RAM引起的色散光谱直流偏置随温度呈正弦变化，且在24和26.8℃时直流偏置为零，即无RAM的状态，然而基于温度的直接RAM消除无法替代Wong-Hall提出的伺服反馈控制来实现其长期抑制，这种温度诱发RAM的变化也是所有FMS色散信号背景漂移的主要原因。
关键词频率调制光谱；残余幅度调制；电光调制器；保偏光纤；温度
中图分类号：0433.1；TN247
引言
文献标识码：A
激光光谱技术通常被用来对气相原子或分子进行高灵敏测量，在环境污染检测、大气遥感、爆炸物探测、工业和农业过程控制、疾病诊断以及基础物理研究等领域有着广泛的应用前景。遵循Beer-Lambert定律的直接吸收是激光光谱技术的基础也是最简单、最稳定的光谱技术之一，其最小可探测吸收可达到10-3[1-a]，然而这个灵敏度仍满足不了大量领域的需求。为了提高激光光谱技术的探测灵敏度可以采用两种方案：一是增加激光与目标气体分子的相互作用路径，二是抑制探测系统的噪声，对于前者常采用多通道池或法布里-玻罗（FP)腔吸收池，探测灵敏度可以提高到10→[4.5]，对于噪声免疫腔增强吸收光谱甚至更高可达10-13[4-9]；而后者则是通过波长调制或频率调制将目标气体信息加载到高频段进行探测从而实现对噪声的抑制。由于光电探测系统的噪声功率主要集中在低频段，波长调制的调制频率通常为kHz 量级，因此不足以完全抑制低频噪声而达不到散粒噪声极限[1011]。频率调制的调制频率可达几百MHz，原理上能达到散粒噪声极限，使得探测灵敏度达到10-62.13]。采用第
收稿日期：2013-04-22，修订日期：2013-08-26
DOI: 10, 3964/j. issn. 1000-0593(2014 )02-0472-05
种提高灵敏度的方案在实际应用中需要大量的保护措施不很实用，而波长调制、频率调制则是目前各个公司极力发展的主要高灵敏探测技术。
在现实环境下，激光及各种控制和探测系统很容易受温度、湿度或振动等影响，因此对于自由空间激光检测方案，其光源与探测装置的距离应尽可能短。另外就是采用光纤装置，不需要准直等即可固定光路。随着近年来光纤EOM、光纤环形器等都发展为成熟的产晶，使得光纤频率调制光谱(FMS)成为了可能。而光纤EOM具有从直流到GHz的大带宽调制，这些革新不仅减小广装置的尺寸，同时简化广系统的控制。但是该系统在应用过程存在很多间题，主要是难获得精准的输入EOM偏振方向及偏振态的控制，即使是保偏光纤也如此，这就使得光纤FMS总存在残余幅度调制(RAM)。
对于FMS，高频调制是通过外部EOM来实现的，该调制将会在激光频率两端产生对称的边带，当调制幅度远远小于1时，高阶边带可以被忽略只剩下一阶边带，该频率调制的激光通过样品气后载频与边带拍频，被高速探测器探测后经过滤波从而获得FMS信号。FMS相对于波长调制光谱，其稳定性受环境影响较大，多数来自于频率调制过程。用于
基金项目：国家重点基础研筑发展计划（973计划)项目（2012CB921603），国家自然科学基金项目（61127017，61178009，61108030
60908019，61275213，61205216），山西省青年科学基金项目(2010021003-3，2012021022-1)资助
作者简介：马维光，1976年生，山西大学激光光谱实验室副教授
e-mail : mwg@ sxu, edu, cn