双光束再注入OA-ICOS技术，用于在760纳米波长实现高灵敏度的氧气检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Dual-beam re-injection OA-ICOS for high sensitivity oxygen detection at 760?nm

双束注入优化光斑分布抑制噪声提高离轴集成腔输出光谱检测灵敏度，实验显示检测极限达89ppm，较单束提升1.5倍。

　　

卢洪哲|何启新|陈张泰|宋清华|李家坤|冯启波

北京交通大学物理科学与工程学院，中国北京100044

摘要

通过在腔体前方加入一个再注入镜，再注入轴外集成腔输出光谱技术（RE-OA-ICOS）显著提高了传统OA-ICOS的信号功率效率。然而，再注入光束之间的强烈空间重叠导致了严重的干涉现象，从而降低了信号质量。我们提出了一种新的双光束再注入方案，通过双孔再注入镜实现了光功率增强和噪声抑制的协同效应。通过优化双光束的注入位置，在腔体镜面上形成了空间分离且分布更均匀的光斑。这种配置不仅进一步增强了腔模式密度，减轻了腔模式噪声，还更有效地平均了空间相关的噪声。对比实验表明，双光束再注入方法在1秒积分时间内实现了89 ppm的检测限，相比单光束再注入方法提高了1.5倍。这项工作提供了一种新的轴外集成腔再注入方案，对于开发具有更高信噪比和灵敏度的OA-ICOS传感器具有重要意义。

引言

高灵敏度的物质分析是现代科学研究、工业生产、环境监测和生物医学等领域的基本需求[1]、[2]、[3]。得益于快速、无损和原位检测的显著优势，光谱技术已成为物质分析的主要方法之一。腔增强吸收光谱技术（CEAS）是一种高灵敏度的激光吸收光谱技术，它利用高精度谐振腔作为气体吸收池[4]、[5]、[6]、[7]。入射激光在谐振腔内多次反射，显著增加了有效气体吸收路径长度，从而提高了测量灵敏度[8]、[9]、[10]。然而，CEAS需要频率锁定和模式匹配，使其实现较为复杂且不够稳健。因此，在实际检测任务中仍面临挑战。轴外集成腔输出光谱技术（OA-ICOS）是CEAS的一种变体。其轴外光路设计有意破坏了模式匹配，通过激发大量高阶模式，有效增强了传统CEAS的抗干扰能力，使其对环境变化（如温度、压力和振动）不敏感[11]、[12]、[13]。然而，模式匹配的破坏显著降低了OA-ICOS的输出信号强度，限制了该技术的灵敏度提升。

Leen等人在2014年提出的再注入方案提高了入射激光能量的利用效率，是增加输出信号功率的有效方法[14]。该方法通过在谐振腔前方添加一个再注入镜，将主腔镜反射的光重新注入谐振腔。Faisal Nadeem等人在2018年开发了一个三维光线追踪模型来模拟轴外腔增强光谱中的再注入过程[15]。他们测量了CO?在6240.10 cm?1区域内的单个吸收线，实现了38倍的强度增强因子和1.6 × 10?? cm?1Hz?12的噪声等效吸收灵敏度（NEAS）。2019年，Zhou等人开发了一种2 μm波段的RE-OA-ICOS系统，并对CO?浓度进行了实验研究。结果表明，再注入结构的加入显著增强了OA-ICOS系统的吸收强度，信噪比提高了4.6倍，检测灵敏度也得到了显著提升[16]。2024年，Yang等人使用高精细度光学腔作为吸收池，并引入了激光再注入结构来测量大气中的N?O、H?O和CO等气体[17]。

通过在腔体前方加入再注入镜，RE-OA-ICOS显著提高了传统OA-ICOS的信号功率效率。然而，这也导致了噪声干扰的显著增加。在传统的RE-OA-ICOS配置中，再注入光束与原始入射光束有很大重叠，且它们的路径长度差异远小于激光的相干长度。因此，两束光在到达腔体镜时仍然部分相干，产生了密集的高对比度斑点干涉图案。这种不均匀的功率分布改变了局部模式耦合效率，导致高阶横向模式的不稳定激发，从而产生了额外的强度噪声[18]、[19]。因此，研究RE-OA-ICOS的光路结构以优化腔内光斑是抑制腔模式噪声和提高检测灵敏度的有效方法。

已经探索了通过多输入光束来抑制OA-ICOS模式噪声的方法，例如Zheng等人提出的双输入双输出（DIDO）耦合方案[20]。其核心思想是使用分束器将激光分成两束光，通过两组独立的输入耦合镜分别注入，通过密集的腔模式分布来减少腔噪声。然而，这些方案与基于再注入的RE-OA-ICOS系统不兼容，无法减轻由再注入光束引起的干涉噪声。此外，它们对分束光的注入位置或角度没有限制，导致腔体镜上的光斑分布不可控。这通常会导致光斑局部聚集或重叠，限制了腔模式的均匀激发，使得难以减轻再注入特有的干涉效应。

为了解决这一技术难题，我们提出了一种双光束再注入轴外集成腔输出光谱技术（DBR-OA-ICOS）。它采用双孔再注入镜对再注入光束施加空间限制。这种设计不仅保留了RE-OA-ICOS的核心优势，即恢复再注入光的光功率，还通过增加腔模式密度来减少腔模式噪声。基于LightTools仿真，设计了两束光的注入位置和间距，使它们在腔体镜面上形成空间分离且分布均匀的光斑。这不仅避免了密集的光斑干涉，还扩展了镜面不同区域的采样范围，有效平均了空间相关的噪声。

首先进行了理论分析，为提高DBR-OA-ICOS的输出光强度和信噪比（SNR）建立了理论基础。使用LightTools模拟了双光束再注入光路配置，旨在分析注入孔位置对再注入镜上光斑分布的影响。最终，开发了一个以氧气为目标气体的DBR-OA-ICOS测量系统，并进行了实验验证。该系统与传统RE-OA-ICOS测量方案进行了比较，以验证输出信号功率和灵敏度的提升。

双光束再注入轴外集成腔输出光谱原理

OA-ICOS技术通过光学谐振腔增加了有效吸收路径长度。由于腔镜的高反射率和共振耦合损失，只有少量光能够耦合进入腔体，导致传输功率较低[21]。当一个强度为I?的激光束照射到腔长为L、镜面反射率为R的腔体上（假设两个镜面相同）时，在稳态条件下，

双光束再注入光路仿真

在本节中，使用光学仿真软件LightTools（版本9.1，Synopsys Inc.，美国）对双光束再注入光路进行了非顺序光线追踪仿真。配置了7000条追踪光线。为了准确匹配DFB激光的输出特性，在仿真中采用了具有角高斯分布的理想旋转对称光束模型。基于实验中实际使用的激光器和准直器，关键

O?吸收线的选择

与CH?和CO?等多原子分子气体相比，O?的吸收强度明显较弱。其最特征的吸收峰位于760 nm附近，该光谱带内的吸收强度大约是CH?在1.65 μm处宽带吸收峰的10??倍。由于O?在目标波长范围内的吸收特性较弱，RE-OA-ICOS可以通过使用谐振腔有效放大弱吸收信号

实验结果与分析

评估了单光束再注入和双光束再注入配置的轴外集成腔测量系统的性能。在测量过程中，激光温度保持在32°C，驱动电流调整为35–50 mA。扫描信号为频率为1 Hz、幅度为0.04 V的三角波。调制信号为频率为1 kHz、幅度为5 mV的正弦波。不同的O?浓度被

讨论与结论

将本传感器的性能和参数与其他基于OA-ICOS的O?检测系统进行了比较，如表2所示。在本研究中，DBR-OA-ICOS系统在300秒积分时间内实现了0.5 ppm的最小检测限（MDL），在长平均时间下表现出最高的灵敏度。此外，我们的系统采用了自开发的数字锁相放大器；因此，通过使用

CRediT作者贡献声明

卢洪哲：撰写——原始草稿、研究、数据整理、概念构思。何启新：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思。陈张泰：可视化、软件开发、概念构思。宋清华：软件开发、研究。李家坤：撰写——审稿与编辑、监督。冯启波：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

卢洪哲于2023年在中国太原理工大学光电工程学院获得学士学位。他目前是中国北京交通大学的硕士研究生，研究方向为腔增强光谱技术及相关系统。