諧振腔方式增強拉曼效應的研究*

王洋，蔣書波，王凡

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇南京211816)

諧振腔方式增強拉曼效應的研究*

王洋，蔣書波*，王凡

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇南京211816)

拉曼效應因其拉曼散射強度低，用于物質的定量分析時，靈敏度過低的缺點使其在廣泛應用時受到阻礙，需要尋找方法實現拉曼增強。設計從諧振腔基本理論出發，重點分析了諧振腔腔長與拉曼散射強度的關系，通過腔與腔之間的模式匹配來減小腔內的激光損耗，最終實現拉曼光的增強。實驗結果顯示，諧振腔樣品池內的拉曼信號顯著增強，驗證了諧振腔方式增強拉曼效應方法的可行性。

拉曼效應;拉曼增強;諧振腔;模式匹配

拉曼散射于1928年被印度物理學家Raman C V發現后，在分子級的物質分析方面應用廣泛，早期的應用多是通過獲取拉曼光譜判定未知物質的相關信息。在激光引入拉曼散射實驗后，拉曼光譜用于工業過程的定量檢測開始快速發展，然而拉曼散射也有拉曼散射強度低的缺點［1］，所以拉曼效應是比較弱的效應，很難獲取期望的拉曼光譜圖。研究人員在如何增強拉曼弱效應的問題上作了大量研究，提出一些新的拉曼增強方法［2］如:表面增強法、共振法、激光顯微法及諧振腔法等。其中，光學諧振腔由于具體應用不受不同領域的限制，通用性較好，因而研究廣泛。目前，腔增強的方法主要有共心腔增強原理、光學微環諧振腔、Fabry-Perot腔等［3］。不同于上述諧振腔原理，本文重點研究腔中激光功率與腔長的關系，并建立起諧振腔模式，以此提出一種增強拉曼效應的方法。

1 諧振腔增強拉曼效應系統設計

拉曼散射信號光的強度正比于激發光的光強度，總拉曼光強度是各分光束拉曼光強度的疊加，即在某空間中激光所激發出的拉曼光強。因此能夠使激光能量增強的腔都能達到增強拉曼散射信號的目的。諧振腔可以將某一特定頻率和方向的光最優放大，并抑制其他頻率和方向的光，在激光器領域被廣泛應用。

諧振腔方式增強拉曼效應的主要原理是將激光束限制在腔中，讓其在腔內多次來回反射，由于激光二極管能量的不斷累積使得腔內的激光束能量逐漸增大，又由于激發光傳播的過程不可避免損耗的產生，當激發光在腔內能量的累積量與損耗量近似相等時，腔內光束的功率增強到一定值后將趨于穩定。實驗系統結構如圖1所示，系統對激發光本身的特性有較高要求，需要保證其中心波長及穩定性［4］。

圖1 實驗系統結構簡圖

1.1 半導體激光器

半導體激光器也稱作激光二極管(LD)，LD通過兩個由半導體晶體構成的能帶間電子的躍遷形成發射光，該發射光源具有相干性。為了輸出相干激光需要滿足粒子數反轉和閥值條件。粒子數反轉條件是必要的，因為只有處在高能級導帶上的電子向低能級帶發生躍遷時才能輻射出光子，且此光子的能量就是這兩個能帶的差值。閥值條件則需要前者輻射后的能量增益能夠抵消半導體晶體的內部損耗以及外部的輸出損耗，激光器只有在滿足閥值條件以后才能出現凈增益，其閥值條件如式(1)所示:

式中，gth是閥值增益，αi是晶體內部損耗，αout表示輸出損耗。由于其實質就是將電子轉變成光子的泵浦元件，所以一般都以閥值電流作為激光器設計前的重要參數［5］。

1.2 光路系統設計

激光二級管驅動電路的設計和對激光二極管溫度的控制設計是本光路系統平臺的基礎，參見圖1，光路系統主要包括準直系統、光闌、諧振腔1以及諧振腔2。

(1)準直系統

由于激光二極管的特殊結構，其發出的光束在同PN結的垂直方向與平行方向上存在很大差異，如圖2所示。本激光二極管發散角范圍為θ‖≤8°、θ⊥≤30°。為使輸出原場光束均勻分布，采用THORLABS公司的激光二極管準直集成系統(LTN330-B)。

圖2 光束發散角

其準直原理主要采用了雙橢圓柱透鏡的方法，當位于橢圓焦點位置的點光源發出一束光，從光密介質射入光疏介質，再經過橢圓面折射之后，光束將變成同此橢圓長軸平行的光。在準直系統中，兩個焦距不等的橢圓柱透鏡之間的距離已被確定好且其母線相互垂直，第1個橢圓柱透鏡的作用是將光源快軸方向的發散角壓縮，第2個橢圓柱透鏡的作用則是壓縮光源慢軸方向的發散角。這樣在快軸與慢軸兩個方向就都能準直光束。原理示意圖如圖3所示。

圖3 準直光束原理示意圖

(2)檢測器位置

在拉曼技術中，對于某一特定的氣體來說其拉曼頻移是一定的，與激發光的功率沒有關系，只跟被檢測氣體本身的分子結構有關。當我們檢測樣品池中某一被測氣體的濃度時，由于事先已知其分子的拉曼頻移和激光的頻率，由此可確定濾光片的波長參數，最后通過檢測此波長的光子強度就能知道被測氣的濃度。

分析拉曼信號檢測角度與其散射強度之間的關系，其散射方向在前向與后向時拉曼強度最大，在側向的拉曼強度為最小。本設計中將檢測端口放在諧振腔2的側向，這樣做的好處是一方面避免激光入射光束的影響，另一方面能測試此種方法的增強強度。

2 諧振腔模式匹配參數理論計算

參見實驗系統結構圖1，在光闌大小和諧振腔2長度確定之前，固定諧振腔1的長度為40mm，并已知半導體激光器輸出光中心波長為650 nm，準直集成系統出射光光束半徑為0.05mm。光闌大小的確定與從準直系統發射出的基模高斯光束在其位置處的光斑半徑相關［6］，此外為減小選模后的基模高斯光束的衍射損耗，實際實驗設計時將小孔光闌放在諧振腔1內緊靠鏡面處，因此其與準直系統末端面的距離L可近似等同于準直系統末端面與諧振腔1鏡面處的距離，最后根據基模高斯光束沿其傳播方向在任意位置z處的光斑半徑的計算公式［7］，將已知參數代入后有:

計算后得ω(z)=0.17 mm。

在實際的光闌大小確定中，由于不可避免的測量誤差等因素導致不能直接選取這種理想情況下的光闌。如果光闌選取太小，則會導致腔內的光束被阻擋掉部分;而如果選取的過大，將導致其他高階模式外的光穿過光闌。因此，根據計算出的理想光闌大小，選擇了比其約大30%的光闌［8-9］，最終定為0.4mm。

最后根據諧振腔1計算得到基模高斯光束的光斑半徑及對稱共焦腔中的基模高斯光束在兩反射鏡上的光斑半徑和腔長的關系，得到其模式匹配下的腔長L為:

把式(2)計算得出的對稱共焦腔內的光斑半徑及中心波長代入上式后，得:

計算后得模式匹配條件下諧振腔2的腔長L= 14 cm。

3 諧振腔模式匹配測試

此處測試主要研究增強系統在諧振腔2腔長變化情況下，腔內光束功率和腔長的關系。前文對諧振腔2腔長的計算主要是基于模式匹配情況設計的，為了同其他情況作對比，主要測試多組不同腔長情況下的腔內光束功率。在測試光束功率時，具體方法是將功率計的探頭放在諧振腔2的末端面，并記入其數值，由于其反射率僅為99.99%，數值計算后并不是實際的功率，測出的功率只是0.01%，之后將其轉換并記錄。由前文分析知，在諧振腔L2腔長不同的情況下，其在平凹透鏡上的光斑半徑不一樣，此處選擇特征性的3種腔長，分別為L2=10 cm、L2=14 cm、L2=18 cm。分別得其在端面處光斑半徑大小，結果如圖4所示。

最后通過功率計測試，當諧振腔L2腔長不同時腔內光束的功率并記錄，繪制折線圖如圖5所示。由此可得光斑半徑受諧振腔L2長度影響，且諧振腔L2內在腔鏡面上的光斑半徑與光束L2在端面處光斑半徑幾乎一樣，在此種情況下兩個諧振腔之間耦合效果最佳。

圖4 光斑半徑示意圖

圖5 腔內光束功率折線圖

觀察圖5發現當腔長L2=14 cm時，此時腔內功率達到最大值，主要由于此處是最佳耦合點，其耦合損耗最小。另外，最佳耦合點附近功率變化比較大，由此表明此種諧振腔增強方式，對腔長要求很高，腔長的誤差將導致光束功率的驟減。

該次諧振腔模式匹配是基于諧振腔L1長度不變這一假設。若考慮將諧振腔L2的長度保持不變，可以猜想也會有個最佳值，但此種情況另需注意一個問題，即諧振腔1內的基模高斯光束在激光二極管端面處光斑大小不能超出其端面半徑。

最終設計諧振腔L2的長度為14 cm，由此得到腔內最大功率光束，此時腔內積聚的激發光同樣品發生散射作用后將產生最大的拉曼強度，最終實現拉曼信號的增強。

4 實驗測試與結果分析

實驗材料及儀器包括激光二極管(中心波長650 nm，光束發散角θ‖≤8°、θ⊥≤30°，典型電流值170 mA，最大偏差1.5mA，線寬150 kHz，典型工作溫度20℃，最大偏差1℃)、TEC半導體制冷片、日本濱松公司生產的光子強度檢測器MPPC模塊、THORLABS公司產的功率計(PM100D)和激光二極管準直集成系統(LTN330-B)、自主研發的激光器驅動電路和溫度控制系統、自主設計的上位機監控平臺、筆記本電腦、純度≥99.999 9%的N2、發黑鋁、Edmun公司的平凹透鏡、光闌等。其最終系統平臺如圖6所示。

圖6 實驗系統平臺

在實驗過程中，實驗環境為黑暗情況下，避免不必要的外界光影響。下面將分6種情況進行實驗，這6種情況分別為:

(1)LD驅動電路不工作，樣品池內不通N2;

(2)LD驅動電路不工作，樣品池內通N2，壓力0.5 MPa;

(3)LD驅動電路不工作，樣品池內通N2，壓力1.5 MPa;

(4)LD驅動電路工作，樣品池內不通N2;

(5)LD驅動電路工作，樣品池內通N2，壓力0.5 MPa;

(6)LD驅動電路工作，樣品池內通N2，壓力1.5 MPa。實驗測試結果如圖7所示。

圖7 實驗結果圖

由實驗a、b、c可知，在激光二極管驅動電路不工作的情況下，其腔內氮氣的拉曼散射強度幾乎為零，與其腔內是否通氣或壓力都無關。實驗d樣品池諧振腔內的氣體為空氣(空氣中含有70%的氮氣)，與實驗a、b、c相比光子數顯著增加，這主要是由于腔內積聚的激發光同氮氣分子作用后拉曼強度大大增加。實驗d、e、f中光子數逐步遞增，其本質是樣品池諧振腔內的氮氣濃度逐步升高，導致腔內氮氣的拉曼散射概率增大。

綜合上述實驗，當激光二極管驅動電路不工作時(即無激光產生時)，無論樣品池諧振腔內是否通氮氣，拉曼散射強度都很弱。驅動電路工作時，拉曼散射幾率顯著提高，且腔內的拉曼散射信號得到增強，實驗定性分析了拉曼散射強度同激發光的密切聯系。結合前文對腔內光束功率的測定，說明了此諧振腔方式增強拉曼效應方法的可行性。

5 總結

設計了諧振腔方式增強拉曼效應的系統平臺，通過理論分析和實驗驗證最終定性分析了諧振腔增強拉曼效應方法的可行性。實驗證明，該方法能有效增強拉曼光強，為拉曼光譜技術在氣體檢測方面的應用提供了一種方案。

［1］鄭凌晨，管孟文，李名舒，等.“金屬-有機物-金屬”三明治型表面增強拉曼散射探針的制備及在免疫檢測中的應用［J］.電子器件，2015，38(1):1-6.

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［9］李正斌，張修太.基于圓柱諧振腔結構的接近傳感器研究［J］.電子器件，2012，35(5):526-529.

王洋(1991-)，男，漢族，安徽省巢湖市，南京工業大學，碩士研究生，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置，williamyoung91@outlook.com;

蔣書波(1975-)女，漢族，黑龍江省哈爾濱市，南京工業大學，博士，副教授，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置，153381253@qq.com。

A Study on Resonant Cavity for Raman Enhancement Effect*

WANG Yang，JIANG Shubo*，WANG Fan

(College of Electrical Engineeringand Automation Science，Nanjing TechUniversity，Nanjing 211816，China)

Raman spectrum is limited by poormeasurement sensitivity due to the low sacttering intensity when it is used in quantitative analysis ofmaterials.Therefore，searching an effecive way to achieve Raman enhancement is necessary.The design is based on the theory and focused on analysis of the relationship between the resonant cavity length and Raman scattering intensity.The loss of the resonant cavity is signifcantly reduced after the mode matching between cavities，and ultimately the Raman optical enhance is achieved.The experimental results show that the Raman signal in the sample cell of the resonant cavity is significantly enhanced，and the feasibility of the method is verified by themethod of resonant cavity enhanced Raman effect.

raman effect;raman enhancement;optical resonant cavity;pattern matching

C:7230;1300

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.005

O657.37

:A

:1005－9490(2017)01－0022－05

項目來源:國家自然科學基金項目(61308066)

2016-01-25修改日期:2016-06-02