近日，哈尔滨工业大学马欲飞教授领导的团队在《Light：Advanced Manufacturing》上发表了一篇题为《Fabry-Perot based phase demodulation of heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy》的论文。论文介绍了一种使用法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot Interferometer，简称FPI)的外差光致热弹光谱 (Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy，简称LITES) 相位解调方法。通过对FPI的振动进行外差相位解调，从理论和实验上验证了在一定条件下FPI的相位仅与微振动有关、与探测激光功率无关、对探测激光波长微小变化不敏感，从而大大改善了系统的长期稳定性。与传统的强度解调系统相比，新的相位解调方法结构简单，并且在使用LITES技术时能够抵抗光源和周围环境的干扰。
基于Fabry-Pérot的H-LITES相位解调系统结构示意图
LITES提供极高灵敏度和非接触式测量，使其成为适用于多个不同领域的有用传感技术。然而，传统LITES的检测性能受到热噪声的限制，尤其是在使用高功率激光器时。随着激光功率的增加，电信号中的激光辐射呈指数放大，限制了LITES传感器的信噪比(SNR)和最小检测限。
研究人员推测，避免热噪声影响的一个潜在解决方案是解调石英音叉(QTF)的振动，该石英音叉在LITES中用于检测振动，以代替电信号。
该团队使用法布里-珀罗(Fabry-Pérot，简称F-P)解调代替QTF的电解调。FPI被认为是一种安全、远程、灵敏、抗电磁干扰的微振动测量装置。
通常，强度解调方法用于法布里-珀罗微振动传感器，并且由于环境干扰和激光波长的扰动，信号可能变得不稳定。
由于FPI容易受到干扰，研究人员开发并测试了一种相位解调方法，该方法可能为控制 H-LITES不稳定性方面提供有效的解决方案。
该图显示了使用相位解调方法的基于FPI的H-LITES传感器的功率和波长响应。(a) 采用相位解调方法，H-LITES信号峰峰值基本一致，平均值为55.54°，标准差为0.64°。相位解调方法不受激光源的干扰，即使使用低功率探测激光器也能产生出色的检测性能。(b) 峰峰值在 1536至1555 nm波长范围内保持恒定。相位解调方法近似与波长无关，在任何波长下具有相同的灵敏度;它不需要将波长固定在Q点，并且不受激光波长干扰。使用FPI中的相位解调方法可以克服环境干扰造成的Q点漂移。
为了防止QTF引起的电信号中的热噪声，研究人员使用具有单模光纤端面和音叉尖头一侧的FPI来测量QTF的周期性振动。Fabry-Pérot腔的长度根据光致热弹性能量转换对音叉振动的影响而变化，从而导致FPI相位发生变化。
由气体吸收引起的QTF振动是通过使用强度和相位解调方法解调法布里-珀罗腔长度的位移来反演气体浓度来确定的。由于QTF的振动与气体浓度成正比，因此可以通过解调相位来线性反演浓度。
研究人员使用H-LITES来验证传感器性能。在实验中，他们优化了影响外差信号的参数，包括激光调制频率、调制深度、激光波长扫描上升时间、幅度和锁定放大器的检测带宽。
采用强度和相位解调方法，基于FPI的1f(即QTF频率的一次谐波)H-LITES信号的信噪比分别为722.92和864.29。结果表明，相位解调方法比强度解调方法提供了更好的检测性能。
研究人员使用强度和相位解调方法来确定基于FPI的1f H-LITES传感器的浓度、功率和波长响应以及长期稳定性。他们发现相位解调方法比强度解调方法提供了更好的浓度响应线性和更好的长期稳定性。
该图显示了基于 FPI 的 H-LITES 传感器的长期稳定性。(a) 使用强度解调方法，H-LITES信号的峰峰值随时间逐渐减小。稳定性较差。(b)使用相位解调方法获得的H-LITES信号的峰峰值一致，表明基于FPI的相位解调方法的H-LITES具有优异的系统稳定性。
研究人员验证了FPI的相位与微振动有关。与强度解调方法相比，使用相位解调方法获得的峰峰值与探测激光功率和波长无关。因此，不再需要稳定正交工作点(Q 点)。
基于FPI的H-LITES采用相位解调方法表现出良好的系统稳定性，并且能够解决由环境干扰而导致的Q点漂移问题。研究人员表示，相位解调方法不受激光源和波长的干扰，即使使用低功率探测激光器也能产生出色的检测性能。
据了解，这项研究成果有望在高灵敏度LITES气体传感、F-P腔传感器等相关领域中起到重要的作用。
原标题：哈工大马欲飞教授团队新成果：外差相位解调光致热弹光谱
