山西大学激光光谱研究所

激光光谱技术在气体检测领域具有重要的应用价值，可实现气体组份与浓度的实时监测，具备高灵敏、高选择和快速响应的特点，广泛应用于环境监测、工业安全及电力能源等领域。传统红外吸收光谱技术应用范围广、灵敏度高，但在检测同核双原子分子（如N₂、O₂、H₂）时存在局限性，且因不同气体吸收波长的不同，多气体检测通常需配备多台激光器，成本较高。相比之下，激光拉曼光谱技术通过检测气体的拉曼散射光，能够分析气体组份、浓度及分子结构。由于拉曼散射光频移仅与分子振动和转动能级相关，与入射激光波长无关，单波长激光器即可实现包括同核双原子分子在内的多种气体组份的同时测量，具有无损、实时检测等优势。然而，气体分子的拉曼散射截面较小，导致信号强度较弱，探测灵敏度较低。常用的表面增强拉曼技术（SERS）因基底对气体吸附能力较弱，通常更适用于液态或固态物质的检测。因此，亟需发展一种高灵敏度、高稳定性的气体拉曼光谱技术，以满足多气体检测的需求。

面对这一需求，马维光教授课题组攻克了基于光学反馈的激光-腔频率连续锁定技术，建立了灵敏度高且稳定性好的腔增强拉曼光谱多气体检测系统。相关成果于2025年5月21日以题为Optical-Feedback Cavity-Enhanced Raman Spectroscopy with Continuous Laser-to-Cavity Locking for Multigas Detection发表在《Analytical Chemistry》上。闫晓娟为本文第一作者，马维光与赵刚为通讯作者。

近年来，该课题组致力于光学反馈腔增强拉曼光谱（OF-CERS）技术的理论与实验研究。本工作采用637 nm商用可见光二极管激光器结合外部光学谐振腔，实现了腔内激光功率的无源放大，完成了CO、CO₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等气体的拉曼光谱测量，以期应用于矿井火灾预警。通过对比分析前向和侧向两种拉曼光收集方式，优化了探测效率，分析了影响谱线强度的主要因素，构建了一套集高灵敏、高选择和高稳定于一体的多气体检测系统。该系统对上述气体的检测极限达到了ppm量级，并成功识别出¹³CO₂同位素的特征峰，展现了其卓越的光谱分辨率。

光学谐振腔不仅可以实现腔内光学路径的有效增强，还能无源放大激光功率，本工作通过激光与腔的连续共振来提高腔内激光功率，从而增强气体的拉曼信号。该光学腔是长度为17.5 cm、精细度约为13000的V型谐振腔，等效光程达到4.5km。高精细度的光学腔意味着腔模线宽只有kHz量级，而商用可见光二极管激光的线宽一般大于几十MHz，两者直接耦合仅有不到千分之一的光进入腔内，无法获得高的激光功率。针对这一技术难题，传统解决方法通常采用窄线宽的外腔半导体激光器或光纤激光器，然后结合PDH频率锁定技术实现激光到腔的高效耦合，但这种方案存在设备体积大、成本高、技术复杂等固有缺陷。本研究创新性地采用光学反馈技术，将光学腔的透射光反馈回半导体激光器，不仅将激光线宽从百MHz压窄到kHz，同时也实现了激光到腔模的频率锁定，使得腔内激光功率达到120W，功率放大近2000倍。

此外，在光学反馈腔增强气体拉曼检测系统中，反馈光相位会受到外界干扰而频繁变化，从而导致激光和谐振腔的频率失锁，严重影响了系统的检测稳定性。因此反馈光相位的实时补偿是一项关键技术挑战。传统反馈相位锁定方法是通过判断腔透射光强信号的对称性来提取误差信号，但该方法只能实现激光和腔的间歇性锁定，降低拉曼光的检测灵敏度和稳定度。本研究通过调制驱动电流来调制激光输出波长，然后解调光学腔的透射信号来连续获取表征激光与腔模频率偏差的误差信号，接着经过PID控制电路矫正后反馈到光路中的压电陶瓷来实时补偿反馈相位，最终获得了长达数小时的频率锁定。分析锁定后的误差信号噪声功率谱密度，可见其对低频噪声干扰有明显的抑制效果。该方法操作简单，锁定性能好，尤其适用于半导体激光器。

该课题组利用上述检测系统对3种非烃类气体（CO、CO₂、H₂）和4种烃类气体（CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆）的拉曼光谱进行了测量。为了优化拉曼信号的信噪比，本工作分别采用了前向和侧向两种拉曼光收集方式。结果表明，前向探测比侧向探测的拉曼峰值要高一个数量级，但是侧向探测的背景噪声更小，整体来看前向探测的信噪比更高，探测下限更低，从表中可以看出，采用前向探测基本能达到ppm量级的探测极限。之后，通过测量和分析发现气体的拉曼光谱强度与腔内功率、积分时间和腔内压力都有明显的线性关系，说明该系统具有精确定量检测能力。在实际测量中，仅需要使用标准样品对系统进行校准，即可实现气体浓度的准确测量。

以上研究结果表明，通过光学反馈技术实现了半导体激光到光学腔的频率锁定，有效增加腔内激光功率，提高了拉曼信号的激发效率，克服了气体分子拉曼散射截面小、探测灵敏度低的问题。该系统具备低成本、高灵敏度和高稳定性的多气体检测能力，不仅具有重要的科学价值，还为拉曼光谱技术在气体检测领域的应用提供了创新解决方案。