基于双光梳的激光吸收谱真空分压力测量技术研究

范 栋，李得天，*，成永军，代 虎，习振华，贾文杰

（1.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000；2.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110819）

1 引言

在空间探测、工业生产、大气环境等领域，真空分压力测量技术已经成为一种必不可少的技术，能够为真空系统提供大量的有效信息［1］。目前，应用最广泛的真空分压力测量仪器主要是质谱计，尤以四极质谱计最为常见。但是质谱计在使用过程中需要精确校准，并且存在应用过程中改变气体组分，粗低真空无法直接测量等问题［2，3］。双规法可利用不同气体的粘度差别来测量真空分压力［4］，但该方法只能用于分析粘度已知且粘度差别较大的两种气体。因此，开展能够克服传统分压力测量方法固有缺陷的真空分压力测量新技术研究具有十分重要的意义。

随着量子光学计量的不断发展，通过气体吸收光谱可实现真空分压力的精确测量［5］。该方法依据朗伯-比尔定律，通过测量目标气体对光辐射的吸收损耗，结合理想气体定律确定真空分压力。目前，基于吸收光谱的气体检测领域发展出了多种红外气体检测技术。例如，直接吸收光谱技术（DAS）［6］无需复杂的标定实验可直接反演出真空分压力，装置结构简单，但其灵敏度差，最小可检分压力受限。可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）［7，8］结合波长调制光谱技术可实现真空分压力的高灵敏度探测，但其具有光谱范围窄、测量耗时、分辨率低等缺点，无法同时对多组分气体分压力进行快速测量。近年来，光学频率梳的快速发展为精密光谱学提供了一套全新的测量手段［9］。双光梳光谱技术（DCS）直接使用光梳作为光源［10］，采用异步光取样光谱测量方式，通过对光梳梳齿频率的精确控制与光外差拍频探测，可进行快速的宽带、高分辨气体光谱测量。该技术结合腔增强光谱技术［11］（CEAS），在空间实现光场的叠加，同时极大程度上增加了光与气体分子相互作用的长度，实现了真空分压力的超灵敏、高精度探测。

介绍了一种基于电光调制的近红外双光梳真空分压力测量方法，利用该方法进行了CO2，CO，N2三元混合气体中CO2与CO 的分压力测量，对所测得的吸收光谱进行梳齿提取、透射率计算、吸收峰拟合、积分吸收量计算后，依据朗伯-比尔定律计算出CO2与CO 的真空分压力，并对测量不确定性进行分析。

2 激光吸收谱真空分压力测量原理

根据现代量子物理学理论，分子内部的运动对应着不同能级构成的层级结构，在一定条件下分立的能级之间能够吸收一定频率的光子，从而发生能级跃迁现象，该现象可由玻尔（Bohr）定律描述：

式中：h——普朗克常量；v——光子频率；E2——较高的能级态；E1——较低的能级态。

当一束激光入射到气体介质中时，由于气体分子的吸收、色散作用，激光强度会沿着穿过的气体路径减小，此时气体吸收的能量等于激光损失的能量。因此，当频率为v的激光穿过长度为L的气体介质时，光强衰减量ΔI（v）可由式（2）给出：

式中：k（v）——描述光强衰减的吸收系数。

通常，气体介质的吸收、色散作用用复折射率n＇来表示：

式中：n——气体介质的折射率，决定了激光在气体介质中的传播速度；κ（v）——吸收系数k（v）的函数，决定了激光在气体介质中传播时的衰减量。

式（3）及其频率依赖性可由线型函数描述，其中当气体压力较低时，谱线展宽主要由分子热运动引起的多普勒展宽效应，其线型是Gauss 函数形式；Voigt 线型同时考虑了多普勒展宽效应和碰撞展宽效应，该线型是多普勒展宽线型函数和碰撞展宽线型函数的卷积形式；随着压力的继续增加，展宽主要由分子间碰撞引起，此时线型是Lorentz 函数形式。

当考虑到上述因素时，式（3）线性吸收情况可用式（4）表示：

式中：I（v，L）——激光与气体介质作用后的出射强度；I0（v）——激光进入气体介质前的入射强度。

为了方便计算，改为波数形式的表达为：

式中：c——真空中的光速；λ——激光波长。则，吸收系数k（v）可写为：

式中：S——气体分子的吸收谱线强度；φ（v′）——吸收谱线的线型函数；vc′——中心波数；ρ——气体数密度。

将式（6）代入式（4），可得：

对式（7）取对数并对整个光谱范围进行积分，可得到目标气体的积分吸收量为：

因此，气体数密度由积分吸收量Aabs、谱线强度S和吸收路径长度L确定：

根据理想气体定律可计算得到目标气体的分压力p为：

3 实验装置与测量方法

基于电光双光梳的真空分压力测量装置如图1所示［12］，窄线宽连续激光器（1）输出的窄频激光由放大器（3）放大后被光纤耦合器（6）分为两束光，经两个调制频率稍有不同的电光调制器（8），（9）调制后形成重复频率稍有差别的光学频率梳，分别作为探测光和参考光。其中，电光调制器由脉冲发生器（5），（7）驱动，而信号发生器（2），（4）提供了脉冲发生器的射频输入信号。由于使用同一窄频激光源，且两个电光调制器使用同一铷钟信号（10）进行同步，因此两个光梳可以产生稳定的干涉信号。探测光经过声光调制器（11）进行移频，确保外差干涉后光频和射频的良好对应，从而得到完整的拍频光谱。电光调制产生的双光梳分别被1 ×2 光纤耦合器（12），（13）分为两束，两路功率较小的光束被1 ×2光纤耦合器（14）耦合后接入光电探测器（16），对光源的强度波动进行监测。两路功率较大的光束用于气体吸收谱探测，其中一路光束通过光纤进入气体增强腔（15），经过样品气体吸收后出射，经透镜（17）耦合至光纤准直器（18）中，最后与另一路光束被1 ×2 光纤耦合器（19）耦合后送入光电探测器（20）中进行拍频干涉。为了获取透射光谱，必须使用探测光与参考光的光谱做比，从而对样品吸收光谱进行修正，最终获得样品气体的透射率曲线。实验中采用增强腔，通过增加探测光梳与气体分子的有效作用光程和强度，提高探测灵敏度和延伸分压力测量下限，光束与腔内气体分子发生多次吸收后有效作用光程达10 m。

图1 基于电光双光梳的真空分压力测量装置结构图Fig.1 Structure diagram of vacuum partial pressure measurement set-up based on electro-optical dual-comb

在进行真空分压力测量时，首先将样品增强腔抽气至5 Pa，并通过调节激光器，使其波长处于待测气体的特征吸收峰处，测量腔内的背景光谱。然后依次冲入待测气体至预定压力，分别获得待测气体在特征吸收峰处的光谱吸收曲线。最后对所测光谱进行梳齿提取、透射率计算、吸收峰拟合、积分吸收量计算后，依据朗伯-比尔定律即可计算出待测气体的真空分压力。

4 测量结果分析与讨论

利用基于电光双光梳的真空分压力测量装置进行CO2，CO 和N2三元混合气体中CO2和CO 的分压力测量实验。混合气体总压力为80 000 Pa，CO2分压力为4 000 Pa，CO 的分压力为10 000 Pa。由于在近红外波段，气体分子的吸收强度较低，因此采用有效光程为10 m 的增强腔作为样品腔，测量过程中气体温度为22.6 ℃。

由系统光电探测器获取的光强信号是对两个电光调制光梳的光脉冲信号进行拍频外差干涉之后形成的射频波段的脉冲信号，该脉冲信号的频域依然表现为频率梳的形式，而且每根梳齿的频率与光频率一一对应，如图2所示。

图2 近红外双光梳干涉及其对应的射频谱图Fig.2 Near infrared dual-comb interference figure and corresponding RF spectrogram

对测得的CO2和CO 吸收谱数据进行梳齿提取后，通过将样品吸收光谱与背景光谱相比较，得到CO2和CO 在特征吸收峰处的归一化透射光谱曲线。由于背景光谱与样品吸收光谱不是在同一时刻测得的，光强抖动会对透射光谱曲线产生严重干扰，因此在实验中对样品气体吸收光谱和真空状态下的背景光谱分别进行了强度归一化处理，用于背景光谱与样品气体吸收光谱的校正。未经校正的特征光谱透射率曲线如图3（a）所示，真空状态下背景光谱的光强变换比率如图3（b）所示，可以看出背景光谱测量和样品光谱测量时的光强变化较大，如果不经校正，样品气体的透射率曲线无法用于真空分压力的准确反演。经过光强校正后的透射率曲线如图3（c）所示，经过校正后吸收峰两侧的光谱曲线变的非常平坦，吸收峰也更加光滑，这非常有利于吸收峰拟合和分压力反演。

图3 未经校正、真空和经过校正状态下的透射光谱图Fig.3 Diagram of uncorrected，in vacuum and corrected transmission spectrogram

对特征光谱透射率曲线进行吸收峰拟合，可以有效抑制随机误差，提高分压力反演的准确度。由于本实验的样品混合气体总压力在80 000 Pa 附近，因此选择Lorentz 线型做为气体吸收峰的拟合线型。CO2在中心波长为1 571.708 nm 处的吸收峰的Lorentz 线型拟合曲线如图4所示。CO 在中心波长为1 579.737 nm 处的吸收峰的Lorentz 线型拟合曲线如图5所示。

图4 CO2 特征吸收峰拟合图Fig.4 Characteristic absorption peak fitting diagram of CO2

图5 CO 特征吸收峰拟合图Fig.5 Characteristic absorption peak fitting diagram of CO

根据吸收峰的拟合结果，利用理想气体定律分别反演计算了两种气体的分压力。CO2和CO 的测量结果分别为3 886.56 Pa 和10 277.25 Pa，其相对误差分别为2.84 %和2.77 %，可以得出，通过电光双光梳外差干涉测量气体的吸收谱线可以较为准确的反演气体分压力。

根据测量结果，对气体分压力测量不确定度进行分析。该方法的不确定度分量主要源于光谱质量（包括光谱信噪比、强度抖动和频率漂移等）、吸收线强、有效光程测量和温度测量四个方面［2］。由于光频梳的频谱特性，频谱范围两端的信噪比较低，因此选择具有较高信噪比的中间吸收峰进行分压反演计算。CO2和CO 的吸收线强来自HITRAN数据库，其不确定度为3 %～8 %。采用激光干涉仪进行光梳与气体分子有效作用光程的测量，其相对误差为0.012 5 %。样品腔内温度使用PT100 铂电阻测量，其测量误差为±0.1 ℃。综上分析，可以得出吸收线强误差是真空分压力测量中最主要的不确定度分量，后续研究将精确校准被测气体的吸收线强，以提高装置的测量精度。

相比于传统的红外气体检测方法，利用双光梳外差光谱技术测量真空分压力具有3 个突出的优势［2］。

1）光梳具有更宽的光谱范围。宽光谱范围不仅有助于同时分析和测量多种气体，而且能够使用多个特征吸收峰来反演同一气体的真空分压力，这不仅提高了检测能力和效率，而且使混合气体中各种气体的分压力测量过程完全同步，可以准确地反映混合气体在某一点的状态。另外，双光梳系统对目标气体进行一次光谱采样，即可捕获多个吸收峰，通过选用信噪比较好的几条谱线反演分压力并求平均，可以有效抑制测量过程中引入的随机误差，提高分压力测量的精度；

2）双光梳光谱具有更高的光谱分辨率和采样率。光梳的梳齿宽度可以达到Hz 量级，并且较窄的谱线间距意味着可以采用更多的数据点来拟合吸收峰，从而使拟合结果更准确，进一步提高分压力测量的准确性；

3）双光梳光谱具有更快的测量速度。双光梳通过异步光取样获取干涉光谱图，其测量时间与光梳的重复频率差成反比，通常可以在几微秒内获得气体吸收光谱，从而允许通过多次测量提高信噪比，满足气体分压力动态测量的需求。

5 结束语

建立了一套基于电光双光梳的真空分压力测量装置，该装置利用电光调制晶体的宽带调制，实现了中心频率可调的近红外双光梳外差干涉系统，能够高速获取单一目标气体的单个特征吸收峰，避免了TDLAS 法扫频带来的速度慢、系统复杂等问题。利用该装置对CO2，CO，N2三元混合气体中的CO2和CO 进行真空分压力测量，其相对误差分别为2.84 %和2.77 %，并对测量不确定度进行分析，得出吸收线强度误差是真空分压力测量中最主要的不确定度分量，实验验证了基于双光梳的真空分压力测量方法的可行性。该方法结构简单，成本低廉，适用于单一气体分压力的快速分析测量。配合波长可调谐窄频激光器，可以对多种气体的分压力进行测量，或者对单一气体的多个特征吸收光谱进行测量，从而提升测量结果的精度。但是电光调制双光梳光谱技术的波段覆盖较窄，目前仅能够实现60 GHz 的频谱获取，一次干涉成谱只能测得一个特征吸收谱的数据，不适用于多种气体分压力的同时测量。此外，气体分子在近红外波段的吸收线强在10-23量级，吸收较弱，不利于高／超高真空分压力的测量。因此在未来的工作中，我们将研建中红外宽波段双光梳真空分压力测量系统，并结合增强腔进一步降低真空分压力的检测限，提高测量的精度和灵敏度。