[发明专利]一种拉曼增强的测量装置和方法及使用的离轴积分腔结构

说明书

技术领域

本发明涉及光谱测量领域，尤其涉及一种基于拉曼增强的测量装置和方法及使用的离轴积分腔结构。

背景技术

拉曼光谱被称为分子的“指纹谱”，能够观测分子的振动-转动能级跃迁，可以提供简单、快速、可重复、且无损伤的定性定量物质分析。通过分析拉曼光谱峰的位置，可以判断物质的组成；通过分析拉曼光谱峰的信号强度，则可以得到受激发的物质总量。另外，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英和光纤对物质进行测量分析。但是拉曼信号非常微弱，即使采用各种增强技术，目前还只能用于测试固体、液体物质，对于气体样品，尤其是要观察气体中的痕量元素，拉曼光谱还无法有效地观测到信号。究其原因，还是在于气体的分子密度低，在同样的拉曼光学系统中，激光照射的体积是同样的，因此气体物质中受照射的分子总数较少。拉曼散射强度公式为：

IR=24π345×32c4×hILN(v0-v)4μv(1-e-hvKT)[45(αa')2+7(γa')2]]]>

式中，c为光速，h为普朗克常数，I_L为激发光强度，N为散射分子数，v为分子振动频率，以Hz计，μ为振动原子的折合质量，K为波耳兹曼常数，T为绝对温度，α′_a为极化率张量的平均值不变量，γ′_a为极化率张量的有向性不变量。

从拉曼散射强度的公式中可以看出，拉曼散射强度与被激发光照明的分子数成正比。这也是应用拉曼光谱术进行定量分析的基础。拉曼散射强度也正比于入射光强度和(v₀-v)⁴。所以提高入射光强度、增加受激发的分子数和使用较高频率的入射光，都能增加拉曼散射强度。

1988年，O′Keefe和Deacon提出了衰荡吸收光谱(Cavity ringdown spectroscopic,CRDS)，衰荡吸收光谱是通过测量谐振腔的衰荡时间获得分子的吸收信息，其优点在于不受激光光强波动的影响，目前，衰荡吸收光谱已经被广泛地应用于大气痕量气体检测。为了改进CRDS技术存在系统要求高、稳定性差的缺点，J．B．Paul等人在2001年提出了离轴积分腔技术，不同于传统的激光入射与光轴同轴的情形，离轴方法激光偏离光轴入射，离轴入射所需装置更简单。由于对系统稳定性没有太高的要求以及操作简单，离轴积分腔输出光谱而越来越受到广泛关注。虽然采用离轴积分腔技术可以简化衰荡吸收光谱技术系统，但通过吸收谱与输入激发光的对比计算被测样品组分和含量，装置和算法都相对复杂。