一种双偏振腔衰荡传感器实现高灵敏度、宽动态范围CO?监测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A dual-polarization cavity ring-down sensor enabling high sensitivity and wide dynamic range CO? monitoring

　　

•双偏振在一个环形腔中建立两种腔损耗机制。
•该传感器兼顾了灵敏度与宽范围 CO? 检测。
•定量测量了 50 至 10,000 ppm 的 CO? 浓度。
•互补通道覆盖了大气级和高浓度 CO? 水平。
•现场测量证明了实用的连续 CO? 监测能力。

引言
偏振是精密光学测量中的一个基本自由度。在实际系统中，光源波动、双折射、偏振模色散以及偏振相关的传输或反射可以将偏振变化耦合到测量的强度、相位、频率或衰减率中 [1]、[2]、[3]、[4]，从而限制灵敏度、稳定性和校准精度 [5]、[6]。相反，受控的偏振允许定制光学测量响应。偏振支配分子跃迁选择定则和强度，而偏振相关的光学元件修改光功率、传播损耗 [7]、相位和空间模式分布 [8]。不受控的偏振漂移或交叉偏振耦合会扭曲谱线形状，降低信噪比，并使检索的光谱参数产生偏差 [9]、[10]。因此，刻意的偏振控制可以抑制测量伪影并创建互补的光谱响应。

激光光谱学因其高分子选择性和测量精度而被广泛用于 CO? 及其他气体检测 [11]、[12]、[13]。代表性技术包括可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) [14]、[15]、[16]、离轴积分腔输出光谱 (OA-ICOS) [17]、[18] 以及腔衰减光谱 (CRDS) [19]。通过将激光光谱与热、声和热弹性转换机制相结合，开发了诸如光诱导热弹性光谱、光声光谱和石英音叉增强光谱等技术，以实现单一或多种气体物种的高灵敏检测 [20]、[21]、[22]、[23]、[24]。CRDS 通过检索高细度腔内光子的衰减率来实现高灵敏度 [25]、[26]。因为测量的浓度是从衰减时间的变化而非绝对光强推导出来的，CRDS 基本上不受激光输出功率波动的影响 [27]，从而确保准确和稳定的测量 [28]、[29]、[30]。然而，CRDS 精度 critically 取决于入射光束与腔基模之间的稳定模式匹配 [31]、[32]。高阶横向模式的激发可能导致偏离单指数衰减 [33]、[34]，增加检索衰减时间的不确定性，并降低检测灵敏度。已开发了各种衰减腔 (RDC) 配置。线性腔因其结构简单而被广泛采用 [35]，而 V 形腔常用于光反馈配置中 [36]、[37]。三角形环形腔提供了紧凑的行波光路 [38] 并减少了直接光反馈。在本文考虑的配置中，光束以接近 45°的角度射入腔镜。然而，这种斜入射引入了像散、偏振相关的腔损耗 [39] 以及更严格的对准要求 [40]。

多层介质镜面在斜入射下的光学响应敏感地依赖于入射角和偏振态，支配其反射率、反射相位、横向光束位移和去偏振特性 [41]。S 偏振 (S-pol) 光通常表现出更高的镀膜反射率和更宽的高反射阻带 [42]，而 P 偏振 (P-pol) 反射率因构成界面的布儒斯特相关响应而降低 [43]。因此，两种偏振本征模经历不同的单次循环损耗和本征衰减时间 [44]，通常满足 τp < τs [45]。对于本研究中使用的镜面，较高的 P 偏振透射率也产生显著更强的透射信号。因此，即使是微弱的剩余 P 偏振耦合也会将快速衰减分量注入到名义上的 S 偏振信号中，导致在相干激发下出现双指数衰减或偏振拍频。高阶横向模式耦合可进一步增加所测衰减常数的波动。因此，精确的偏振控制、光学对准和模式匹配对于维持纯偏振态和稳定的单模衰减响应至关重要 [46]、[47]、[48]。虽然通常被视为干扰源，但这种本征偏振依赖性也为在单个光学腔内建立两种互补的腔损耗机制提供了一种手段。

在这里，我们开发了一种双偏振 CRDS 传感器，利用偏振相关的腔损耗在单个三角形腔内建立两种互补的传感机制，其概念如图 1 所示。在不改变腔结构或替换任何光学元件的情况下，该设计积极利用了 S 和 P 偏振态的互补特性，产生了一种兼具高灵敏度和宽动态范围的气体传感器。采用 CO? 浓度测量作为代表性应用，以实验验证所提出的偏振定制测量策略。S 偏振通道较长的衰减时间增强了对弱 CO? 吸收的灵敏度，而 P 偏振较短的响应提供了对高浓度下强吸收的更大耐受性。因此，该策略提供了一种克服传统 CRDS 系统中固有的灵敏度 - 动态范围权衡的实用方法。

章节摘要
原理
对于图 1 所示的三角形环形腔，入射激光强度表示为 I0，三个腔镜的反射率分别为 R1、R2 和 R3。镜面 P1 和 P2 的透射率为 T1 和 T2。第 1 束透射光的强度可表示为
I1=I0T1T2
在腔内完成一次循环后，第 2 束透射强度变为
I2=I0T1R2R3R1T2=I1R1R2R3
定义单次循环腔反射率为：Rc=R1R2R3，第 3 束光的强度
实验装置和 CO? 吸收线的选择
DPS-CRDS 传感器的实验配置如图 2 所示。黄色、红色、绿色和蓝色线条分别代表保偏光纤、自由空间光路、气流路径和电气连接。分布式反馈半导体 (DFB) 激光输出以 1:9 的比例分束，其中 10% 的光功率引导至波长计进行实时波长监测，其余 90% 输送到传感模块。测量

双偏振腔衰减传感器性能
为了验证所提出的 DPS-CRDS 传感机制，在相同的实验条件下连续测量了 S 偏振和 P 偏振通道的空腔衰减时间。如图 7 所示，P 偏振和 S 偏振通道的平均衰减时间分别为 1.32 和 16.48 μs，代表超过一个数量级的差异。比值 τs/τp 约为 12.5。因为两种偏振态都通过同一个腔传播，这个比值表明

结论
本研究表明，偏振相关的镜面损耗可以作为扩展 CRDS 测量性能的一个额外自由度。S 偏振和 P 偏振通道显著不同的空腔衰减时间，分别为 16.48 和 1.32 μs，在同一个三角形腔内产生了两种互补的传感机制。使用单指数和多指数模型对 1000 条衰减曲线的分析证实，两个通道都保持了稳定的、主要是单模的响应

CRediT 作者贡献声明
Tao Pang：概念构思。Zhirong Zhang：写作 – 审阅与编辑、资源、项目管理、资金获取。Xinyu Zhang：调查、数据管理。Bian Wu：调查。Huadong Wang：方法论。Hua Xia：写作 – 审阅与编辑、监督、方法论。Pengshuai Sun：软件。Tianyu Mao：方法论、调查。Wenjie Jia：方法论、调查。Yuqing Lin：写作 – 原始草稿、验证、方法论、调查、概念构思。Shengnan Liu：
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文报告的工作。
致谢
本研究由国家重点研发计划 (2023YFB3211003)；安徽省杰出青年自然科学基金 (2408085J001)；安徽省科技创新重大专项 (202423i08050031)；煤矿灾害防治与控制国家重点实验室开放基金 (2024SKLKF06)；合肥市自然科学基金 (HZR2506) 提供资金支持。

Yuqing Lin：她于 2020 年毕业于华侨大学获得学士学位，目前是中国科技大学的博士生。她的研究重点是腔衰减吸收光谱。

Yuqing Lin|Shengnan Liu|Tianyu Mao|Wenjie Jia|Hua Xia|Pengshuai Sun|Huadong Wang|Xinyu Zhang|Bian Wu|Tao Pang|Zhirong Zhang