【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所方勇華研究員團(tuán)隊在腔增強(qiáng)拉曼光譜氣體檢測研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，團(tuán)隊設(shè)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(shí)現(xiàn)高靈敏度探測的同時，解決了光學(xué)系統(tǒng)對精密準(zhǔn)直極其敏感的技術(shù)難題。相關(guān)研究成果以《面向痕量氣體檢測的雙循環(huán)腔增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)》為題發(fā)表于光學(xué)Top期刊Optics Letters。
 

　　拉曼光譜技術(shù)雖然具有“指紋”識別能力，但信號微弱。為了增強(qiáng)信號，科研人員常采用光學(xué)腔技術(shù)，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(yán)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，對光束的入射角度和準(zhǔn)直精度要求極高，系統(tǒng)抗干擾能力較弱，難以適配復(fù)雜場景應(yīng)用。
 

　　針對上述技術(shù)痛點(diǎn)，研究團(tuán)隊構(gòu)建了一種由23面獨(dú)立球面反射鏡組成的圓形多通腔(C-CERS)，所有反射鏡焦點(diǎn)都匯聚在圓環(huán)的幾何中心。這種特殊的共焦結(jié)構(gòu)賦予了系統(tǒng)極高的失準(zhǔn)容忍度。光線追蹤仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)完成傳輸，不會發(fā)生逃逸。這表明，該系統(tǒng)在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中具有極佳的穩(wěn)定性。
 

　　為了進(jìn)一步挖掘探測潛力，團(tuán)隊在光路末端引入了一個回溯反射器，構(gòu)建了“雙周期”光路。激光在腔內(nèi)完成第一圈反射后，被原路反射后進(jìn)行第二圈傳輸，有效光程直接翻倍。該設(shè)計不僅利用了前向散射信號，還“回收”了通常被浪費(fèi)的后向散射信號。實(shí)驗(yàn)表明，相比單周期模式，雙周期設(shè)計的拉曼信號強(qiáng)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(tuán)隊對空氣中的痕量氣體進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示，在常溫常壓下，系統(tǒng)對二氧化碳(CO2)的檢測限(LOD)達(dá)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(diǎn)研發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)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(shí)測效果
 

空氣檢測結(jié)果