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新型光學(xué)技術(shù)提升痕量氣體檢測(cè)靈敏度
2026年01月29日 14:53:02
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：2108
近期，研究人員通過(guò)優(yōu)化拋物面鏡光腔結(jié)構(gòu)，提升了痕量氣體的拉曼光譜檢測(cè)靈敏度。該系統(tǒng)結(jié)合高效光學(xué)收集與先進(jìn)算法，有效抑制噪聲，使信號(hào)強(qiáng)度與信噪比較傳統(tǒng)方法顯著提升，氣體腔體積縮小約2.7倍，為多組分痕量氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了有前景的技術(shù)方案。
近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所方勇華研究員團(tuán)隊(duì)在腔增強(qiáng)拉曼光譜氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出并完善了一種名為“優(yōu)化拋物面鏡腔增強(qiáng)拉曼光譜(O-PMCERS)”的技術(shù)，通過(guò)光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新型算法相結(jié)合，提升對(duì)痕量氣體的檢測(cè)靈敏度。相關(guān)研究成果發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域期刊《Optics & Laser Technology》。
痕量氣體的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療診斷及公共安全等領(lǐng)域具有重要意義。拉曼光譜技術(shù)因其能夠同時(shí)檢測(cè)多種氣體組分、無(wú)需復(fù)雜樣品前處理，并能探測(cè)如氫氣、氮?dú)獾韧穗p原子分子，而顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，由于拉曼散射截面極小，信號(hào)強(qiáng)度微弱，其在實(shí)際痕量檢測(cè)中的應(yīng)用長(zhǎng)期受到限制。
為了克服這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于增強(qiáng)激光與氣體的相互作用效率及信號(hào)收集能力。團(tuán)隊(duì)在前期開(kāi)發(fā)的拋物面鏡腔增強(qiáng)拉曼光譜（PMCERS）系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深度優(yōu)化。研究通過(guò)分析拉曼散射光在近共心腔中心匯聚點(diǎn)的三維空間角分布，調(diào)整了光學(xué)配置，使高信號(hào)強(qiáng)度區(qū)域與拋物面鏡收集區(qū)域最大化重合。同時(shí)，依據(jù)推導(dǎo)出的光學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(D=4p)，優(yōu)化了拋物面鏡的幾何參數(shù)與光路，構(gòu)建了高效的光學(xué)收集回路。
據(jù)研究論文介紹，該優(yōu)化設(shè)計(jì)消除了信號(hào)收集盲區(qū)，并有效抑制了腔內(nèi)瑞利散射等雜散光噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與使用傳統(tǒng)透鏡收集的近共心腔系統(tǒng)相比，O-PMCERS系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度提升了約7.6倍，信噪比提升了約11.4倍。相較于優(yōu)化前的PMCERS系統(tǒng)，其信號(hào)強(qiáng)度和信噪比也分別提升了約28%和2倍。此外，優(yōu)化后的氣體腔體積約為22毫升，較之前系統(tǒng)縮小了約2.7倍。
在數(shù)據(jù)處理方面，針對(duì)高背景噪聲下微弱信號(hào)提取的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)采用了連續(xù)小波變換(CWT)與基于Voigt線型的非線性最小二乘(NLS)擬合相結(jié)合的光譜處理算法。該算法有助于從強(qiáng)噪聲中識(shí)別和提取目標(biāo)氣體的特征拉曼峰。實(shí)驗(yàn)演示表明，該系統(tǒng)能夠在20秒的積分時(shí)間內(nèi)，可靠檢測(cè)出常壓環(huán)境下濃度為50 ppm(百萬(wàn)分之五十)的氫氣。
論文指出，該研究通過(guò)硬件光路與軟件算法的協(xié)同優(yōu)化，為高靈敏度痕量氣體檢測(cè)提供了一種具有潛力的技術(shù)平臺(tái)。該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，可能為需要實(shí)時(shí)、在線、多組分氣體監(jiān)測(cè)的多種場(chǎng)景提供新的解決方案。
素材來(lái)源：Optics & Laser Technology
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