基于共焦切尔宁多程池中受控光束发散实现的抗干扰激光吸收气体传感器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Disturbance-resilient laser-absorption gas sensor enabled by controlled beam divergence in a confocal Chernin multipass cell

　　

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  共焦切尔宁（Chernin）多通光腔中的发散光束可实现稳健的TDLAS气体检测。
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  更宽的空间覆盖自然地将局部光学扰动平均掉。
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  在恶劣条件下，浓度标准偏差最高可降低66%。
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  $1f_{\mathrm{m}}$归一化对残余波动提供互补的抑制作用。

引言

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）具有灵敏度高、选择性好、响应快速等特点，已广泛应用于环境监测、工业过程分析和燃烧诊断[1]、[2]、[3]。在TDLAS测量中，通常采用多通光腔，通过延长光束在目标气体中的有效吸收光程来增强微弱的吸收信号[4]。然而在苛刻的工况下，多通光腔比TDLAS光学系统的其他部分更容易受到外部扰动的影响[3]、[5]。颗粒污染会遮挡并衰减光束[6]、[7]、[8]、[9]，折射率不均匀性会引起光束偏转[10]、[11]，机械振动则会使镜面准直与光束轨迹发生偏移[12]、[13]、[14]、[15]。由此造成的探测器接收光功率变化会直接影响原始检测信号、解调后的谐波，并进一步影响最终检索出的浓度值[16]。因此，在这些条件下的挑战不仅在于提高检测灵敏度，还在于在整个测量链路中限制扰动的影响，以维持稳定可靠的测量结果。

现有的大多数研究都是通过信号处理来应对这些扰动[17]、[18]。归一化[16]、[19]、[20]、基线校正与漂移补偿[21]、[22]、[23]、[24]，以及滤波[25]、[26]、[27]、[28]等去噪方法，可以在一定程度上减轻强度波动与噪声对光谱分析和浓度检索的影响。然而，这些方法只能在原始检测信号形成之后对其扰动效应进行补偿，而无法在信号形成过程中直接减小扰动的影响。当扰动使原始检测信号的信噪比大幅下降时，后端信号处理的有效性也会受到限制。因此，有必要改进多通光腔的前端光学设计，在施加后端处理抑制残余波动之前，先获得更稳定的原始检测信号。

相比之下，通过多通光腔的光学设计来减小扰动影响的关注相对较少。现有的多通光腔设计研究主要聚焦于增加有效光程、减小光腔体积、优化光斑图案以及提高镜面利用率[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。针对特定恶劣条件的研究——包括机械振动[12]、[37]、[38]、大气测量[39]、[40]、[41]、[42]以及污染环境[43]、[44]、[45]——主要侧重于证明测量的可行性。然而，围绕多通光腔光学设计在扰动抑制方面的系统性研究仍然有限。由于扰动对不同光线路径的影响并不均匀，当各光线的贡献在探测器处被积分叠加时，提高光束的空间覆盖度有可能在空间上对其造成的波动进行平均。密集光斑型赫里奥特（Herriott）光腔对光束尺寸和发散角的约束较为严格，难以在保持长光程的同时实施这种空间平均策略[46]、[47]、[48]、[49]。相比之下，共焦成像多通光腔可以周期性地对发散光束重新聚焦[50]、[51]、[52]；采用发散或大数值孔径光源的怀特（White）型和切尔宁型光腔研究已经证明了在长光程下的可控传播[53]、[54]、[55]。然而，在长光程共焦光腔中主动将有界光束发散作为设计变量用于扰动抑制，仍是一个在很大程度上尚未探索的方向。

本工作在长光程共焦切尔宁多通光腔中研究受控的有限光束发散，以提高光束的覆盖范围并增强TDLAS氧传感器对扰动的抗扰能力，并以常规准直光束构型作为参照。在波长调制光谱（WMS）信号模型中引入了一个时变因子 $\eta \left(t\right)$，用以描述扰动引起的检测光功率变化。数值仿真与实验分别在颗粒污染、折射率扰动以及机械振动条件下对两种构型进行了对比。发散光束构型在无扰动条件下保持相当的性能，并在三种扰动下均产生更小的浓度波动。同时，单点一次谐波（$1f_{\mathrm{m}}$）归一化也作为一种互补措施进行了评估。这些发现将多通光腔设计的作用从光程增强拓展到了抗扰动的激光吸收气体检测。

章节摘要

波长调制光谱与谐波解调

波长调制光谱（WMS）在高频调制的谐波处检测吸收信号，从而降低对低频噪声的敏感性并提高对微弱吸收信号的检测能力[3]。在扫描式WMS中，高频电流调制叠加在跨目标吸收跃迁的缓慢扫描之上，同时调制激光的频率和强度。忽略高阶非线性效应时，瞬时激光频率 $\nu \left(t\right)$ 和

面向恶劣环境的发散光束切尔宁光腔设计

如第2节所述，影响光束传播的扰动会导致光学效率 $\eta \left(t\right)$ 发生变化。为了在光学前端减小这些变化，本工作将受控发散光束与共焦切尔宁光腔相结合，同时以近似准直光束作为参照。

准直光束常用于多通光腔中。其窄的角度发散使得紧凑的光束截面能够在长距离传播中得到保持。这有助于使光束

仿真

进行了数值仿真，以对比准直光束构型与发散光束构型的扰动响应，并阐明其背后的光学机理。两种构型采用相同的切尔宁光腔几何结构、标称反射序列和扰动输入，仅改变光束尺寸和发散角。分别采用代表性模型来描述颗粒衰减、折射率引起的光束偏转以及振动引起的镜面位移。这些

实验验证

为了实验评估发散光束切尔宁光腔的稳健性，搭建了一套TDLAS/WMS系统，用于与准直光束构型进行对比。首先介绍该系统、光束构型以及产生和量化扰动所采用的方法，随后给出无扰动条件下以及在颗粒污染、温度引起的折射率扰动和机械振动条件下的对比测量结果。

总结

本工作在长光程共焦切尔宁多通光腔中研究受控的有限光束发散，将其作为提升TDLAS氧传感器抗扰能力的前端光学策略，并以常规准直光束构型作为参照。在WMS信号模型中引入了时变的光学效率 $\eta \left(t\right)$，以将光束传播与收集过程中由扰动引起的变化与测量波动联系起来。仿真与实验对

CRediT作者贡献声明

Jia-Rui Lei（雷佳瑞）：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、形式分析、概念化。Hongjiang Dong（董红江）：调查研究。Peng Liu（刘鹏）：方法学、调查研究。Xin Zhou（周鑫）：撰写——审阅与编辑、指导监督、方法学、经费获取、概念化。

稿件撰写过程中生成式AI及AI辅助技术的使用声明

在本工作的撰写过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）改善了稿件的语言、可读性与清晰度，并生成了示意图 Fig. 1、Fig. 5 中使用的部分插图元素。这些示意图随后由作者进行拼装、编辑并进行科学验证。在使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版内容的全部责任承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报道工作的任何已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

Jia-Rui Lei 衷心感谢 Wei-Kai Hu、Zhao-Yue Huang 和 Yi-yun Gai 对本工作提出的有益讨论和宝贵建议。本工作由 北京鼎泰科技股份有限公司创新计划 资助（项目编号：2252000245）。

Jia-Rui Lei|Hongjiang Dong|Peng Liu|Xin Zhou