新型光學技術提升痕量氣體檢測靈敏度

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所方勇華研究員團隊在腔增強拉曼光譜氣體檢測技術領域取得進展。研究團隊提出并完善了一種名為“優化拋物面鏡腔增強拉曼光譜(O-PMCERS)”的技術，通過光學結構優化與新型算法相結合，提升對痕量氣體的檢測靈敏度。相關研究成果發表于光學領域期刊《Optics & Laser Technology》。

　　痕量氣體的準確、實時檢測在環境監測、工業過程控制、醫療診斷及公共安全等領域具有重要意義。拉曼光譜技術因其能夠同時檢測多種氣體組分、無需復雜樣品前處理，并能探測如氫氣、氮氣等同核雙原子分子，而顯示出獨特優勢。然而，由于拉曼散射截面極小，信號強度微弱，其在實際痕量檢測中的應用長期受到限制。

　　為了克服這一瓶頸，研究團隊聚焦于增強激光與氣體的相互作用效率及信號收集能力。團隊在前期開發的拋物面鏡腔增強拉曼光譜（PMCERS）系統基礎上，進行了深度優化。研究通過分析拉曼散射光在近共心腔中心匯聚點的三維空間角分布，調整了光學配置，使高信號強度區域與拋物面鏡收集區域最大化重合。同時，依據推導出的光學設計準則(D=4p)，優化了拋物面鏡的幾何參數與光路，構建了高效的光學收集回路。

　　據研究論文介紹，該優化設計消除了信號收集盲區，并有效抑制了腔內瑞利散射等雜散光噪聲。實驗結果表明，與使用傳統透鏡收集的近共心腔系統相比，O-PMCERS系統的信號強度提升了約7.6倍，信噪比提升了約11.4倍。相較于優化前的PMCERS系統，其信號強度和信噪比也分別提升了約28%和2倍。此外，優化后的氣體腔體積約為22毫升，較之前系統縮小了約2.7倍。

　　在數據處理方面，針對高背景噪聲下微弱信號提取的挑戰，團隊采用了連續小波變換(CWT)與基于Voigt線型的非線性最小二乘(NLS)擬合相結合的光譜處理算法。該算法有助于從強噪聲中識別和提取目標氣體的特征拉曼峰。實驗演示表明，該系統能夠在20秒的積分時間內，可靠檢測出常壓環境下濃度為50 ppm(百萬分之五十)的氫氣。

　　論文指出，該研究通過硬件光路與軟件算法的協同優化，為高靈敏度痕量氣體檢測提供了一種具有潛力的技術平臺。該技術的進一步發展和應用，可能為需要實時、在線、多組分氣體監測的多種場景提供新的解決方案。