第35卷，第3期 2015年3月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
近共心腔气体拉曼光谱增强方法研究杨德旺，郭金家，杜增丰，王振南，郑荣儿”
中国海洋大学光学光电子实验室，山东青岛266100
Vol. 35,No. 3 -pp645-648
March, 2015
摘要对海水中溶存气体(甲烷、二氧化碳等)的探测是海洋环境监测和资源探测的重要环节，由于拉曼光谱技术可实现多组分同时探测的优势，被视为发展洋溶存气体探测技术的首选，而探测灵敏度的提高则是推动该项技术实用化的关键，针对提高拉曼光谱气体探测灵敏度这一间题，设计并搭建了一套基于近共心腔拉曼信号增强系统，开展了信号收集方向和激发光多次散射模式对信号强度和信噪比影响的研究研究发现，信号收集方向与腔镜光轴之间的夹角越小，所收集的信号越强、信噪比越大，当卖角为30度时，信噪比是垂直方向的16倍；近共心腔直线型多次反射模式，与共心腔模式相比信噪比增强了近三倍，采用最优化实验条件，该系统与常规拉曼系统相比，信号强度和信噪比增强效果均在70倍左右。根据该系统对空气中CO：的相应强度（空气申CO的浓度为0.648mg·L-1），以三倍于噪声强度计算检测限，估算出该系统对CO的探测灵度约为0.19mg·L-，依据CO；与CH，拉变散射截面比为1/6，估算该系统对甲烷的检测限约为11.5μg·L-1。
关键词拉变信号增强；近共心腔：探测灵敏度；甲烷
中图分类号：0433.1
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j- issn. 10000593(2015)03064504
验中采用平凹腔，获得了93倍的增强效果[11]，为探测变压器中的烷烃气体、氢气、氮气等气体的含量，2008年Li等设计了近共焦腔拉曼光谱增强系统，甲烷的检测限为45g·
发展海洋溶存气体传感器对海洋环境监测和资源探测有重要意义。目前对海水中溶存气体的化学传感器有很多，主要有电化学传感技术，非色散红外吸收光谱技术3]，拉变光谱技术等方法，前两种方法需对海水中落存气体经过脱气处理，再对气体进行探测，面拉曼光谱技术可直接探测海水中溶存气体，尽管拉曼光谱技术已成功应用于一些异常环境的探测申，然而较低的灵敏度仍使其应用得到了限制。
为提高拉曼光谱灵敏度发展了许多方法，如表面增强拉曼光谱技术"，]，共振拉曼光谱技术[8以及采用多次反射腔9.1增加光程提高拉曼光谱灵敏度等，表面增强拉曼光谱需要样晶预处理，测量结果受基底影响很大，重复性不高；共振拉曼光谱技术通常采用深紫外可调谐激光器，针计对特定成分进行增强。这两种光谱技术很难满足海水中溶存气体现场探测需求。通过多次反射腔提高拉受光谱灵数度是痕量气体检测的常用方法，并取得了很多卓有成效的结果。1974年 Hill等首次将多次反射腔应用到提高拉曼光谱灵敏度中，实
收稿日期：2014-01-08，修订日期：2014-04-15
基金项目：国家高技术研究发展计划项目（2012AA09A405)资助
L-1（以三倍于噪声强度的信号大小估算检测限）[12]
针对海水溶存气体拉曼光谱高灵敏度探测的需求，笔者设计搭建了一套基于近共心腔的气体拉曼光谱增强探测系
统，应用该系统实现了对气体的高灵敏度拉变光谱探测。 1
实验部分
多次反射拉变光谱气体检测系统装置如图1所示，实验
中所使用的激光器为半导体泵浦的二倍题Nd：YAG激光器，功率为300mW；多次反射腔由两片直径25mm，焦距 50mm、反射率>99.6%@532nm的凹面反射镜组成，通过调节两腔镜之间的距离、两腔镜之间的夹角可以形成不同的激发光反射模式；光谱仪为Acton公司生产的SP2500i，光栅刻兼密度为1200G·mm-1，光谱仪的入射狭缝为150 m；CCD为PI公司生产的SPEC-10 400B，CCD的积分时间设定为30s。
激光器发出激光经过透镜F，（f200mm)聚焦在多次
作者简介：杨德旺，1987年生，中国海洋大学信息科学与工程学院博士研究生
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