安光所腔增强拉曼光谱技术刷新痕量气体检测性能

近日，中国科学院安徽光学精密机械研究所（简称“安光所”）方勇华研究员团队，在腔增强拉曼光谱气体检测领域取得关键性创新突破。团队研发的双周期圆形共焦腔拉曼光谱检测系统，成功破解了传统技术“高灵敏度与环境稳定性难以兼顾”的行业痛点，为痕量气体现场检测提供了更可靠的国产方案。

拉曼光谱技术凭借独特的“指纹识别”能力，在气体检测领域占据重要地位，可精准区分不同气体组分，但信号微弱的天然缺陷，一直制约着其在痕量检测场景的应用。为提升信号强度，科研人员普遍采用光学腔增强技术，却长期陷入两难困境：法布里-珀罗（F-P）腔虽能实现高增益，却对环境震动、温度漂移极度敏感，需严苛的共振锁定条件，难以脱离实验室环境；多通腔（MPC）无需共振约束，却为追求长光程设计得结构复杂，对光束入射角度和准直精度要求极高，抗干扰能力弱，无法适配工业现场、户外监测等复杂场景。

针对这一困扰行业多年的技术难题，团队另辟蹊径，从腔体结构设计入手寻找突破。团队创新性地搭建了由23面独立球面反射镜组成的圆形共焦多通腔，将所有反射镜的焦点统一汇聚于圆环几何中心。这种特殊的共焦结构，赋予了系统极强的失准容忍度——经光线追踪仿真与实地实验验证，即便入射激光出现明显的横向、纵向偏移，或是光束发散角度较大，仍能被稳稳束缚在腔内传输，不会发生逃逸。这一设计从根源上解决了传统多通腔“装调难、易受干扰”的问题，让拉曼光谱检测在复杂现场环境中也能保持稳定性能。

为进一步挖掘探测潜力，团队在光路末端引入回溯反射器，构建出“双周期”传输光路，实现了检测性能的二次跃升。激光在腔内完成第一圈反射传输后，会被回溯反射器原路送回，进行第二圈循环传输，有效光程直接翻倍。更巧妙的是，该设计不仅充分利用了前向散射信号，还“回收”了传统方案中被浪费的后向散射信号，最大化提升信号利用率。实验数据显示，与单周期模式相比，双周期设计使拉曼信号强度提升约2.3倍，信噪比（SNR）提升约2倍，灵敏度显著增强。

在常温常压的模拟现场测试中，这款新型检测系统展现出优异的实用性能：对二氧化碳（CO₂）的检测限（LOD）达到19 ppm（20秒积分时间），同时成功捕捉到空气中微量水汽和氧气同位素的信号，验证了其在多组分痕量气体检测中的潜力。这一成果填补了“实验室高精度”与“现场高适配”之间的技术空白，为油气管道泄漏监测、大气痕量气体分析、工业质检等场景提供了全新技术方案。

该系统打破了传统光学腔“稳或敏二选一”的局限，为拉曼光谱仪器从实验室走向实际应用场景提供了核心硬件支撑。是团队在腔增强拉曼技术领域的又一重要突破。

目前，团队正围绕技术小型化、成本优化等方向推进后续研究，力争加快成果转化步伐，让这项“稳敏兼备”的检测技术早日服务于更多实际场景。