近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《Light：Advanced Manufacturing》上發(fā)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(jiǎn)稱FPI）的外差光致熱彈光譜 (Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy，簡(jiǎn)稱LITES) 相位解調(diào)方法。通過(guò)對(duì)FPI的振動(dòng)進(jìn)行外差相位解調(diào)，從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了在一定條件下FPI的相位僅與微振動(dòng)有關(guān)、與探測(cè)激光功率無(wú)關(guān)、對(duì)探測(cè)激光波長(zhǎng)微小變化不敏感，從而大大改善了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的強(qiáng)度解調(diào)系統(tǒng)相比，新的相位解調(diào)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且在使用LITES技術(shù)時(shí)能夠抵抗光源和周圍環(huán)境的干擾。

基于Fabry-Pérot的H-LITES相位解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

LITES提供極高靈敏度和非接觸式測(cè)量，使其成為適用于多個(gè)不同領(lǐng)域的有用傳感技術(shù)。然而，傳統(tǒng)LITES的檢測(cè)性能受到熱噪聲的限制，尤其是在使用高功率激光器時(shí)。隨著激光功率的增加，電信號(hào)中的激光輻射呈指數(shù)放大，限制了LITES傳感器的信噪比(SNR)和最小檢測(cè)限。

研究人員推測(cè)，避免熱噪聲影響的一個(gè)潛在解決方案是解調(diào)石英音叉(QTF)的振動(dòng)，該石英音叉在LITES中用于檢測(cè)振動(dòng)，以代替電信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)使用法布里-珀羅（Fabry-Pérot，簡(jiǎn)稱F-P）解調(diào)代替QTF的電解調(diào)。FPI被認(rèn)為是一種安全、遠(yuǎn)程、靈敏、抗電磁干擾的微振動(dòng)測(cè)量裝置。

通常，強(qiáng)度解調(diào)方法用于法布里-珀羅微振動(dòng)傳感器，并且由于環(huán)境干擾和激光波長(zhǎng)的擾動(dòng)，信號(hào)可能變得不穩(wěn)定。 

由于FPI容易受到干擾，研究人員開發(fā)并測(cè)試了一種相位解調(diào)方法，該方法可能為控制 H-LITES不穩(wěn)定性方面提供有效的解決方案。

該圖顯示了使用相位解調(diào)方法的基于FPI的H-LITES傳感器的功率和波長(zhǎng)響應(yīng)。(a) 采用相位解調(diào)方法，H-LITES信號(hào)峰峰值基本一致，平均值為55.54°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.64°。相位解調(diào)方法不受激光源的干擾，即使使用低功率探測(cè)激光器也能產(chǎn)生出色的檢測(cè)性能。(b) 峰峰值在 1536至1555 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持恒定。相位解調(diào)方法近似與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，在任何波長(zhǎng)下具有相同的靈敏度；它不需要將波長(zhǎng)固定在Q點(diǎn)，并且不受激光波長(zhǎng)干擾。使用FPI中的相位解調(diào)方法可以克服環(huán)境干擾造成的Q點(diǎn)漂移。

為了防止QTF引起的電信號(hào)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(cè)的FPI來(lái)測(cè)量QTF的周期性振動(dòng)。Fabry-Pérot腔的長(zhǎng)度根據(jù)光致熱彈性能量轉(zhuǎn)換對(duì)音叉振動(dòng)的影響而變化，從而導(dǎo)致FPI相位發(fā)生變化。

由氣體吸收引起的QTF振動(dòng)是通過(guò)使用強(qiáng)度和相位解調(diào)方法解調(diào)法布里-珀羅腔長(zhǎng)度的位移來(lái)反演氣體濃度來(lái)確定的。由于QTF的振動(dòng)與氣體濃度成正比，因此可以通過(guò)解調(diào)相位來(lái)線性反演濃度。

研究人員使用H-LITES來(lái)驗(yàn)證傳感器性能。在實(shí)驗(yàn)中，他們優(yōu)化了影響外差信號(hào)的參數(shù)，包括激光調(diào)制頻率、調(diào)制深度、激光波長(zhǎng)掃描上升時(shí)間、幅度和鎖定放大器的檢測(cè)帶寬。

采用強(qiáng)度和相位解調(diào)方法，基于FPI的1f（即QTF頻率的一次諧波）H-LITES信號(hào)的信噪比分別為722.92和864.29。結(jié)果表明，相位解調(diào)方法比強(qiáng)度解調(diào)方法提供了更好的檢測(cè)性能。

研究人員使用強(qiáng)度和相位解調(diào)方法來(lái)確定基于FPI的1f H-LITES傳感器的濃度、功率和波長(zhǎng)響應(yīng)以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。他們發(fā)現(xiàn)相位解調(diào)方法比強(qiáng)度解調(diào)方法提供了更好的濃度響應(yīng)線性和更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

該圖顯示了基于 FPI 的 H-LITES 傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。(a) 使用強(qiáng)度解調(diào)方法，H-LITES信號(hào)的峰峰值隨時(shí)間逐漸減小。穩(wěn)定性較差。(b)使用相位解調(diào)方法獲得的H-LITES信號(hào)的峰峰值一致，表明基于FPI的相位解調(diào)方法的H-LITES具有優(yōu)異的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

研究人員驗(yàn)證了FPI的相位與微振動(dòng)有關(guān)。與強(qiáng)度解調(diào)方法相比，使用相位解調(diào)方法獲得的峰峰值與探測(cè)激光功率和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。因此，不再需要穩(wěn)定正交工作點(diǎn)（Q 點(diǎn)）。

基于FPI的H-LITES采用相位解調(diào)方法表現(xiàn)出良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且能夠解決由環(huán)境干擾而導(dǎo)致的Q點(diǎn)漂移問(wèn)題。研究人員表示，相位解調(diào)方法不受激光源和波長(zhǎng)的干擾，即使使用低功率探測(cè)激光器也能產(chǎn)生出色的檢測(cè)性能。

據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，這項(xiàng)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(guān)領(lǐng)域中起到重要的作用。