基于上转换探测的红外简并四波混频定量气体传感

本方案的意义在于降低了检测限，使得研究其他方法无法达到的微量物质浓度成为可能。该技术的主要优势在于增加了上转换模块，从而规避了大部分背景噪声。操作用于检测过程中的上转换装置。

首先暴露装置中的内部元件。一个激光二极管和晶体产生波长为1064纳米的光束。一系列反射镜将该光束引导通过PPLN晶体并返回。

来自外部的中红外光束也穿过该晶体。两束光在PPLN晶体中产生上转换信号，信号离开晶体后进入探测器。该示意图概述了整个装置的结构。

与激光二极管配合使用的晶体为掺钕钒酸钇。U1 至 U7 为在 1064 纳米波长处具有高反射率的反射镜。反射镜 U1 至 U5 在激光二极管的波长处具有高透射率。

镜片U6在上转换信号的波长范围内具有透射性。镜片U7对中红外信号具有透射性。镜片U3的曲率半径为200 mm。

其他镜子是平面镜。使用安装在喜剧支架上的平面镜来建立准直腔。将该镜子置于激光介质前方，作为端面反射镜。

将支架的角度在水平和垂直方向上均调至极限位置。接着，将一张红外敏感光束卡放置在镜片U2前方，同时将PPLN晶体从其支架中取出。该装置的布局如本示意图所示。

末端反射镜标记为 UH。将激光二极管的输出功率调至其最大值的约三分之一处启动。调整谐振腔，重复以下步骤：改变末端反射镜的角度，在水平方向上增加2度。

然后将镜片的垂直角度从一端极端位置扫至另一端。在此过程中，观察红外卡上是否有来自准直腔的光束。在末端镜片的某一水平角度下，当垂直角度扫描时，腔体将开始激射，该现象可在红外卡上观察到。

当腔体处于激光状态时，交替调节反射镜的角度以获得更高的输出功率，并逐步降低驱动电流。最终调整至激光束离开反射镜时，用红外卡可清晰观察到光斑为止。此时，移除红外卡，开始调节其后方的反射镜 U2。调节该反射镜，使准直光束从其中心反射至反射镜 U3 的中心。调节反射镜 U3 的角度，使光束沿预定光路保持居中传播，直至反射镜 U7。确保光束以适当的高度穿过 PPLN 晶体支架，并且与晶体表面垂直。

接下来，取下锗窗，并在U7后方放置一张红外卡。在此位置，由于有红外光束从谐振腔射出，红外卡将产生荧光。然后调节U7的角度，使其沿准直光束的路径反射。观察红外卡上的透射光束，并调整反射镜角度以使输出达到最大。

接下来，将PPLN晶体安装到支架中，使光束穿过其通道之一。检查红外卡上是否仍可见光束。如果可见，则调节U7以最大化输出，然后再继续下一步操作。

此时，关闭激光二极管并移除端面反射镜。在上转换装置的输入端安装一个750纳米长波通滤光片。将功率计置于滤光片后方。

将激光二极管调至最大功率，调节 U2 和 U7 的角度以最大化输出功率。然后将功率计替换为高功率红外观察卡。使用该卡检查谐振腔是否工作于基模高斯模式。

根据需要调整镜片 U7。完成后，取下滤光片并重新安装锗窗。接着进行红外简并四波混频装置的准直。

该装置包括一个脉冲激光器、一个氦氖激光器，以及用于将光束引导至组装好的上转换探测器输入端的反射镜和透镜。初始装置设置如本示意图所示。氦氖激光器提供引导光束。

使用反射镜 M3 和 M4 将导引光束与透镜 L1 对准。调节反射镜，使光束垂直入射到透镜 L1 的中心。在反射镜 M4 与透镜 L1 之间插入一个箱线仪（boxcars）板，将其置于与水平光束成 45 度垂直角的位置。确保该装置可产生两束输出光束。

在第一个盒形光束板之后插入第二个盒形光束板，使其与输出光束呈45度水平角。确保其输出为四束光束。

接下来，调节盒车板的角度，使四束输出光束构成一个正方形的四个角。调节透镜 L1，直到各光束在其中心周围等间距分布。现在，在光束路径中放置一个光阑。

调节虹膜，以遮挡三束泵浦光，同时允许信号光通过。此示意图表示系统当前的状态。接下来的步骤将涉及透镜 L2 以及反射镜 M5 和 M6。为使光束准直，请根据脉冲激光波长的焦距来调整透镜 L2 的位置。

然后调整反射镜 M5 和 M6 的位置，使导引光束对准上转换探测器的输入窗口，并确保光束位于中心。将透镜 L3 置于距 PPLN 晶体中心一个焦距的光学距离处。移除探测器的锗窗，以继续后续操作。

执行此操作可使1064纳米光束从上转换模块中射出。接下来，使用反射镜M6将光束从探测器处移动，并引导至信号光束上，使二者在透镜L2处重叠。随后交替使用反射镜M5，将导引光束在L3处调整至与1064纳米光束重合。当1064纳米光束与导引光束沿同一路径传播时停止调节。将锗窗重新安装至上转换模块。

然后在探测器前方放置多个中性密度滤光片，以保护其免受脉冲激光的损伤。打开脉冲激光器，并确保其与导向光束重合。现在，将待测的气体流或火焰置于透镜 L1 的焦点处。本测量将涉及氮气稀释的甲烷气流。

检查探测器上是否可见信号。根据需要调整中性密度滤光片。如果存在信号，通过调节镜片 M5 和 M6 来最大化其平均强度。随后，使用置于平移台上的挡光块阻断信号光束。

然后移除探测器前的中性密度滤光片。最初，可能会有因光散射进入探测器而产生的信号。通过平移台调节光束挡板的位置，以减少这种散射。

当光散射信号已尽可能降低后，继续下一步操作。接下来开启气体流动，以便开始测量。然后，使用脉冲激光正确触发上转换探测器，并扫描目标波长范围以采集数据。

这些数据为氮气中五种不同浓度的氰化氢所得结果。每个数据点代表在每种浓度下进行三次扫描的平均值。中心峰为氰化氢 NU1 振动带的 P20 谱线。

此处的点表示作为浓度函数的测量峰高值。虚线为二次多项式拟合结果。本例中，数据来自预混火焰的五次连续扫描。

每次扫描持续约65秒，并覆盖相同的波数范围。扫描之间强度的变化是由于激光脉冲模式和能量不稳定所致。没有哪一个步骤是最重要的，但如果需要使测量结果具有可比性，则每次对准时的高度位置必须相同。

通过反复试验来学习调试此装置会浪费大量时间，因此我希望演示该过程，以便人们能够避免其中的陷阱。上转换模块的引入使我们能够检测到小颗粒气化过程中释放出的微量物种氰化氢。本方案涉及四类激光器的使用，以及可能涉及易燃气体的使用，因此必须始终遵循相应的安全措施。