王洋，蔣書(shū)波，王凡

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京211816)

諧振腔方式增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的研究*

王洋，蔣書(shū)波*，王凡

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京211816)

拉曼效應(yīng)因其拉曼散射強(qiáng)度低，用于物質(zhì)的定量分析時(shí)，靈敏度過(guò)低的缺點(diǎn)使其在廣泛應(yīng)用時(shí)受到阻礙，需要尋找方法實(shí)現(xiàn)拉曼增強(qiáng)。設(shè)計(jì)從諧振腔基本理論出發(fā)，重點(diǎn)分析了諧振腔腔長(zhǎng)與拉曼散射強(qiáng)度的關(guān)系，通過(guò)腔與腔之間的模式匹配來(lái)減小腔內(nèi)的激光損耗，最終實(shí)現(xiàn)拉曼光的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，諧振腔樣品池內(nèi)的拉曼信號(hào)顯著增強(qiáng)，驗(yàn)證了諧振腔方式增強(qiáng)拉曼效應(yīng)方法的可行性。

拉曼效應(yīng);拉曼增強(qiáng);諧振腔;模式匹配

拉曼散射于1928年被印度物理學(xué)家Raman C V發(fā)現(xiàn)后，在分子級(jí)的物質(zhì)分析方面應(yīng)用廣泛，早期的應(yīng)用多是通過(guò)獲取拉曼光譜判定未知物質(zhì)的相關(guān)信息。在激光引入拉曼散射實(shí)驗(yàn)后，拉曼光譜用于工業(yè)過(guò)程的定量檢測(cè)開(kāi)始快速發(fā)展，然而拉曼散射也有拉曼散射強(qiáng)度低的缺點(diǎn)［1］，所以拉曼效應(yīng)是比較弱的效應(yīng)，很難獲取期望的拉曼光譜圖。研究人員在如何增強(qiáng)拉曼弱效應(yīng)的問(wèn)題上作了大量研究，提出一些新的拉曼增強(qiáng)方法［2］如:表面增強(qiáng)法、共振法、激光顯微法及諧振腔法等。其中，光學(xué)諧振腔由于具體應(yīng)用不受不同領(lǐng)域的限制，通用性較好，因而研究廣泛。目前，腔增強(qiáng)的方法主要有共心腔增強(qiáng)原理、光學(xué)微環(huán)諧振腔、Fabry-Perot腔等［3］。不同于上述諧振腔原理，本文重點(diǎn)研究腔中激光功率與腔長(zhǎng)的關(guān)系，并建立起諧振腔模式，以此提出一種增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的方法。

1 諧振腔增強(qiáng)拉曼效應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拉曼散射信號(hào)光的強(qiáng)度正比于激發(fā)光的光強(qiáng)度，總拉曼光強(qiáng)度是各分光束拉曼光強(qiáng)度的疊加，即在某空間中激光所激發(fā)出的拉曼光強(qiáng)。因此能夠使激光能量增強(qiáng)的腔都能達(dá)到增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)的目的。諧振腔可以將某一特定頻率和方向的光最優(yōu)放大，并抑制其他頻率和方向的光，在激光器領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

諧振腔方式增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的主要原理是將激光束限制在腔中，讓其在腔內(nèi)多次來(lái)回反射，由于激光二極管能量的不斷累積使得腔內(nèi)的激光束能量逐漸增大，又由于激發(fā)光傳播的過(guò)程不可避免損耗的產(chǎn)生，當(dāng)激發(fā)光在腔內(nèi)能量的累積量與損耗量近似相等時(shí)，腔內(nèi)光束的功率增強(qiáng)到一定值后將趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)對(duì)激發(fā)光本身的特性有較高要求，需要保證其中心波長(zhǎng)及穩(wěn)定性［4］。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器也稱作激光二極管(LD)，LD通過(guò)兩個(gè)由半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的能帶間電子的躍遷形成發(fā)射光，該發(fā)射光源具有相干性。為了輸出相干激光需要滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和閥值條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件是必要的，因?yàn)橹挥刑幵诟吣芗?jí)導(dǎo)帶上的電子向低能級(jí)帶發(fā)生躍遷時(shí)才能輻射出光子，且此光子的能量就是這兩個(gè)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(dǎo)體晶體的內(nèi)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(xiàn)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(nèi)部損耗，αout表示輸出損耗。由于其實(shí)質(zhì)就是將電子轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)前的重要參數(shù)［5］。

1.2 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光二級(jí)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和對(duì)激光二極管溫度的控制設(shè)計(jì)是本光路系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)，參見(jiàn)圖1，光路系統(tǒng)主要包括準(zhǔn)直系統(tǒng)、光闌、諧振腔1以及諧振腔2。

(1)準(zhǔn)直系統(tǒng)

由于激光二極管的特殊結(jié)構(gòu)，其發(fā)出的光束在同PN結(jié)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(fā)散角范圍為θ‖≤8°、θ⊥≤30°。為使輸出原場(chǎng)光束均勻分布，采用THORLABS公司的激光二極管準(zhǔn)直集成系統(tǒng)(LTN330-B)。

圖2 光束發(fā)散角

其準(zhǔn)直原理主要采用了雙橢圓柱透鏡的方法，當(dāng)位于橢圓焦點(diǎn)位置的點(diǎn)光源發(fā)出一束光，從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，再經(jīng)過(guò)橢圓面折射之后，光束將變成同此橢圓長(zhǎng)軸平行的光。在準(zhǔn)直系統(tǒng)中，兩個(gè)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(gè)橢圓柱透鏡的作用是將光源快軸方向的發(fā)散角壓縮，第2個(gè)橢圓柱透鏡的作用則是壓縮光源慢軸方向的發(fā)散角。這樣在快軸與慢軸兩個(gè)方向就都能準(zhǔn)直光束。原理示意圖如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)直光束原理示意圖

(2)檢測(cè)器位置

在拉曼技術(shù)中，對(duì)于某一特定的氣體來(lái)說(shuō)其拉曼頻移是一定的，與激發(fā)光的功率沒(méi)有關(guān)系，只跟被檢測(cè)氣體本身的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)我們檢測(cè)樣品池中某一被測(cè)氣體的濃度時(shí)，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(zhǎng)參數(shù)，最后通過(guò)檢測(cè)此波長(zhǎng)的光子強(qiáng)度就能知道被測(cè)氣的濃度。

分析拉曼信號(hào)檢測(cè)角度與其散射強(qiáng)度之間的關(guān)系，其散射方向在前向與后向時(shí)拉曼強(qiáng)度最大，在側(cè)向的拉曼強(qiáng)度為最小。本設(shè)計(jì)中將檢測(cè)端口放在諧振腔2的側(cè)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(cè)試此種方法的增強(qiáng)強(qiáng)度。

2 諧振腔模式匹配參數(shù)理論計(jì)算

參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1，在光闌大小和諧振腔2長(zhǎng)度確定之前，固定諧振腔1的長(zhǎng)度為40mm，并已知半導(dǎo)體激光器輸出光中心波長(zhǎng)為650 nm，準(zhǔn)直集成系統(tǒng)出射光光束半徑為0.05mm。光闌大小的確定與從準(zhǔn)直系統(tǒng)發(fā)射出的基模高斯光束在其位置處的光斑半徑相關(guān)［6］，此外為減小選模后的基模高斯光束的衍射損耗，實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)將小孔光闌放在諧振腔1內(nèi)緊靠鏡面處，因此其與準(zhǔn)直系統(tǒng)末端面的距離L可近似等同于準(zhǔn)直系統(tǒng)末端面與諧振腔1鏡面處的距離，最后根據(jù)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(jì)算公式［7］，將已知參數(shù)代入后有:

計(jì)算后得ω(z)=0.17 mm。

在實(shí)際的光闌大小確定中，由于不可避免的測(cè)量誤差等因素導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)的光束被阻擋掉部分;而如果選取的過(guò)大，將導(dǎo)致其他高階模式外的光穿過(guò)光闌。因此，根據(jù)計(jì)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(jù)諧振腔1計(jì)算得到基模高斯光束的光斑半徑及對(duì)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(zhǎng)的關(guān)系，得到其模式匹配下的腔長(zhǎng)L為:

把式(2)計(jì)算得出的對(duì)稱共焦腔內(nèi)的光斑半徑及中心波長(zhǎng)代入上式后，得:

計(jì)算后得模式匹配條件下諧振腔2的腔長(zhǎng)L= 14 cm。

3 諧振腔模式匹配測(cè)試

此處測(cè)試主要研究增強(qiáng)系統(tǒng)在諧振腔2腔長(zhǎng)變化情況下，腔內(nèi)光束功率和腔長(zhǎng)的關(guān)系。前文對(duì)諧振腔2腔長(zhǎng)的計(jì)算主要是基于模式匹配情況設(shè)計(jì)的，為了同其他情況作對(duì)比，主要測(cè)試多組不同腔長(zhǎng)情況下的腔內(nèi)光束功率。在測(cè)試光束功率時(shí)，具體方法是將功率計(jì)的探頭放在諧振腔2的末端面，并記入其數(shù)值，由于其反射率僅為99.99%，數(shù)值計(jì)算后并不是實(shí)際的功率，測(cè)出的功率只是0.01%，之后將其轉(zhuǎn)換并記錄。由前文分析知，在諧振腔L2腔長(zhǎng)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(zhǎng)，分別為L(zhǎng)2=10 cm、L2=14 cm、L2=18 cm。分別得其在端面處光斑半徑大小，結(jié)果如圖4所示。

最后通過(guò)功率計(jì)測(cè)試，當(dāng)諧振腔L2腔長(zhǎng)不同時(shí)腔內(nèi)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(zhǎng)度影響，且諧振腔L2內(nèi)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(gè)諧振腔之間耦合效果最佳。

圖4 光斑半徑示意圖

圖5 腔內(nèi)光束功率折線圖

觀察圖5發(fā)現(xiàn)當(dāng)腔長(zhǎng)L2=14 cm時(shí)，此時(shí)腔內(nèi)功率達(dá)到最大值，主要由于此處是最佳耦合點(diǎn)，其耦合損耗最小。另外，最佳耦合點(diǎn)附近功率變化比較大，由此表明此種諧振腔增強(qiáng)方式，對(duì)腔長(zhǎng)要求很高，腔長(zhǎng)的誤差將導(dǎo)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(zhǎng)度不變這一假設(shè)。若考慮將諧振腔L2的長(zhǎng)度保持不變，可以猜想也會(huì)有個(gè)最佳值，但此種情況另需注意一個(gè)問(wèn)題，即諧振腔1內(nèi)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(shè)計(jì)諧振腔L2的長(zhǎng)度為14 cm，由此得到腔內(nèi)最大功率光束，此時(shí)腔內(nèi)積聚的激發(fā)光同樣品發(fā)生散射作用后將產(chǎn)生最大的拉曼強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)拉曼信號(hào)的增強(qiáng)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)材料及儀器包括激光二極管(中心波長(zhǎng)650 nm，光束發(fā)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(dǎo)體制冷片、日本濱松公司生產(chǎn)的光子強(qiáng)度檢測(cè)器MPPC模塊、THORLABS公司產(chǎn)的功率計(jì)(PM100D)和激光二極管準(zhǔn)直集成系統(tǒng)(LTN330-B)、自主研發(fā)的激光器驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制系統(tǒng)、自主設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、筆記本電腦、純度≥99.999 9%的N2、發(fā)黑鋁、Edmun公司的平凹透鏡、光闌等。其最終系統(tǒng)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這6種情況分別為:

(1)LD驅(qū)動(dòng)電路不工作，樣品池內(nèi)不通N2;

(2)LD驅(qū)動(dòng)電路不工作，樣品池內(nèi)通N2，壓力0.5 MPa;

(3)LD驅(qū)動(dòng)電路不工作，樣品池內(nèi)通N2，壓力1.5 MPa;

(4)LD驅(qū)動(dòng)電路工作，樣品池內(nèi)不通N2;

(5)LD驅(qū)動(dòng)電路工作，樣品池內(nèi)通N2，壓力0.5 MPa;

(6)LD驅(qū)動(dòng)電路工作，樣品池內(nèi)通N2，壓力1.5 MPa。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由實(shí)驗(yàn)a、b、c可知，在激光二極管驅(qū)動(dòng)電路不工作的情況下，其腔內(nèi)氮?dú)獾睦⑸鋸?qiáng)度幾乎為零，與其腔內(nèi)是否通氣或壓力都無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)d樣品池諧振腔內(nèi)的氣體為空氣(空氣中含有70%的氮?dú)?，與實(shí)驗(yàn)a、b、c相比光子數(shù)顯著增加，這主要是由于腔內(nèi)積聚的激發(fā)光同氮?dú)夥肿幼饔煤罄鼜?qiáng)度大大增加。實(shí)驗(yàn)d、e、f中光子數(shù)逐步遞增，其本質(zhì)是樣品池諧振腔內(nèi)的氮?dú)鉂舛戎鸩缴撸瑢?dǎo)致腔內(nèi)氮?dú)獾睦⑸涓怕试龃蟆?/p>

綜合上述實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光二極管驅(qū)動(dòng)電路不工作時(shí)(即無(wú)激光產(chǎn)生時(shí))，無(wú)論樣品池諧振腔內(nèi)是否通氮?dú)?，拉曼散射?qiáng)度都很弱。驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)，拉曼散射幾率顯著提高，且腔內(nèi)的拉曼散射信號(hào)得到增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)定性分析了拉曼散射強(qiáng)度同激發(fā)光的密切聯(lián)系。結(jié)合前文對(duì)腔內(nèi)光束功率的測(cè)定，說(shuō)明了此諧振腔方式增強(qiáng)拉曼效應(yīng)方法的可行性。

5 總結(jié)

設(shè)計(jì)了諧振腔方式增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最終定性分析了諧振腔增強(qiáng)拉曼效應(yīng)方法的可行性。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能有效增強(qiáng)拉曼光強(qiáng)，為拉曼光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用提供了一種方案。

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

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王洋(1991-)，男，漢族，安徽省巢湖市，南京工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，williamyoung91@outlook.com;

蔣書(shū)波(1975-)女，漢族，黑龍江省哈爾濱市，南京工業(yè)大學(xué)，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)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(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61308066)

2016-01-25修改日期:2016-06-02