[發明專利]用于氣體拉曼信號增強的中空波導腔

在審

• 申請號: 202110528092.0
• 申請日: 2021-05-14
• 公開（公告）號: CN113295668A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 王品一;陳偉根;王建新;萬福;王有元;杜林;周湶;李劍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 北京智繪未來專利代理事務所(普通合伙) 11689
• 代理人: 王萍;肖繼軍

本申請公開了用于氣體拉曼信號增強的中空波導腔，包括中空波導、高反鏡、長通濾鏡和消色差透鏡；所述中空波導構成中空波導腔，內壁涂覆反射膜；所述高反鏡和長通濾鏡分別設于中空波導腔的首、尾端；中空波導腔內填充待測氣體，激光從高反鏡入射到中空波導腔并激發待測氣體的拉曼散射光；中空波導腔內沿不同方向傳播的拉曼散射光在高反鏡、長通濾鏡和中空波導內壁的反射膜之間多次反射，一并經長通濾鏡過濾激光后出射；長通濾鏡透射出的拉曼散射光經消色差透鏡準直，得到經中空波導腔增強的氣體拉曼信號。本發明融合光纖增強技術對拉曼信號收集效率的提升與腔增強技術對激光有效路徑的延長，實現了較低的拉曼光譜氣體檢出限。

技術領域

本發明屬于氣體拉曼光譜檢測技術領域，涉及用于氣體拉曼信號增強的中空波導腔。

背景技術

氣體檢測在環境污染檢測、安全氣體監測、工業過程控制等領域具有廣泛需求。拉曼光譜氣體檢測法是基于氣體的拉曼效應，通過測量氣體因激光照射產生的拉曼散射光的波長判斷氣體組分，通過測量散射光強度判斷氣體含量的一種光譜氣體檢測方法。

相比目前常用氣體檢測方法，拉曼光譜法具備以下優勢：可同時檢測幾乎所有氣體組分；不同氣體組分相互干擾小，檢測的選擇性高；無損檢測，不損耗、不破壞待測氣體。因此拉曼光譜法在氣體檢測領域中具有極大的應用前景。

然而氣體拉曼散射截面積小、氣體拉曼信號弱，導致拉曼光譜檢測微量氣體時的檢出限較高。目前常用的氣體拉曼信號增強方法為光纖增強技術和腔增強技術。

光纖增強技術是一種利用空芯光纖提升拉曼散射光收集效率的拉曼散射信號增強技術，傳感單元體積小、檢測所需氣體量小。然而由于空芯光纖纖芯直徑較小，氣體進出光纖較慢，導致檢測所需時間較長；光纖易彎曲，且不同彎曲狀態下的彎曲損耗不同，因此光纖的擺放方式也會影響測得的氣體拉曼散射強度，使檢測的重復性較差。

腔增強技術主要分為諧振腔和多反腔兩種。其中，諧振腔可使激光在腔內近乎無限次反射，其對氣體拉曼信號增強幅度大，檢出限相對較低，但是諧振腔所必需的頻率鎖定技術的抗干擾能力低，導致諧振腔技術的光學穩定性差；多反腔抗干擾能力強，光學穩定性強，但是由于激光在腔內的反射次數受限，導致拉曼信號增強幅度較低，多組分氣體的檢出限仍然較高。

因此目前氣體拉曼信號增強方法難以兼顧高效增強、高穩定性、高重復性、短檢測時間。

發明內容

為解決現有技術中的不足，本申請提供用于氣體拉曼信號增強的中空波導腔，融合光纖增強技術對拉曼信號收集效率的提升與腔增強技術對激光有效路徑的延長，實現較低的拉曼光譜氣體檢出限。

為了實現上述目標，本發明采用如下技術方案：

用于氣體拉曼信號增強的中空波導腔，所述中空波導腔包括：中空波導、高反鏡、長通濾鏡和消色差透鏡；

所述中空波導構成中空波導腔，內壁涂覆反射膜；

所述高反鏡和長通濾鏡分別設于中空波導腔的首尾端；

中空波導腔內填充待測氣體，激光從高反鏡入射到中空波導腔并激發待測氣體的拉曼散射光；

中空波導腔內沿不同方向傳播的拉曼散射光在高反鏡、長通濾鏡和中空波導內壁的反射膜之間多次反射，一并經長通濾鏡過濾激光后出射；

長通濾鏡透射出的拉曼散射光經消色差透鏡準直，得到經中空波導腔增強的氣體拉曼信號。

本發明進一步包括以下優選方案：

優選地，所述中空波導內壁涂覆有多層介質反射膜。

優選地，所述中空波導是由二氧化硅制成的中空管；

所述高反鏡為圓形平凹鏡，反射面為凹面；