【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學院合肥物質院安光所方勇華研究員團隊在腔增強拉曼光譜氣體檢測研究領域取得新進展，團隊設計并研制了一種基于雙周期圓形共焦腔的拉曼光譜氣體檢測系統(tǒng)，在實現(xiàn)高靈敏度探測的同時，解決了光學系統(tǒng)對精密準直極其敏感的技術難題。相關研究成果以《面向痕量氣體檢測的雙循環(huán)腔增強拉曼光譜技術》為題發(fā)表于光學Top期刊Optics Letters。
 

　　拉曼光譜技術雖然具有“指紋”識別能力，但信號微弱。為了增強信號，科研人員常采用光學腔技術，例如法布里-珀羅(F-P)腔、多通腔(MPC)等。前者增益極高，但需要極其嚴格的共振鎖定，對環(huán)境震動和溫度漂移極度敏感；后者雖然無需共振，但為了追求長光程，往往結構復雜，對光束的入射角度和準直精度要求極高，系統(tǒng)抗干擾能力較弱，難以適配復雜場景應用。
 

　　針對上述技術痛點，研究團隊構建了一種由23面獨立球面反射鏡組成的圓形多通腔(C-CERS)，所有反射鏡焦點都匯聚在圓環(huán)的幾何中心。這種特殊的共焦結構賦予了系統(tǒng)極高的失準容忍度。光線追蹤仿真與實驗結果均表明，即使入射激光存在明顯的橫向、縱向偏移或光束具有較大的發(fā)散角，激光束依然能被穩(wěn)穩(wěn)地束縛在腔內完成傳輸，不會發(fā)生逃逸。這表明，該系統(tǒng)在復雜的現(xiàn)場環(huán)境中具有極佳的穩(wěn)定性。
 

　　為了進一步挖掘探測潛力，團隊在光路末端引入了一個回溯反射器，構建了“雙周期”光路。激光在腔內完成第一圈反射后，被原路反射后進行第二圈傳輸，有效光程直接翻倍。該設計不僅利用了前向散射信號，還“回收”了通常被浪費的后向散射信號。實驗表明，相比單周期模式，雙周期設計的拉曼信號強度提升了約2.3倍，信噪比(SNR)提升了約2倍。
 

　　基于該新型裝置，研究團隊對空氣中的痕量氣體進行了測試。結果顯示，在常溫常壓下，系統(tǒng)對二氧化碳(CO2)的檢測限(LOD)達到了 19 ppm(20秒積分時間)，并成功識別出空氣中微量的水汽和氧氣同位素信號。
 

　　博士生苗俊芳為第一作者，李振鋼博士后與方勇華研究員為通訊作者。本研究工作獲得了安徽省重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的資助。

 

光線追跡仿真
 

C-CERS系統(tǒng)原理圖及光束偏移實測效果
 

空氣檢測結果