近日，中国科学院安光所方勇华研究员团队在腔增强拉曼光谱气体检测研究方面领域取得新进展，团队设计并研制了一种基于双周期圆形共焦腔的拉曼光谱气体检测系统，在实现高灵敏度探测的同时，解决了光学系统对精密准直极其敏感的技术难题。相关研究成果以Double-Cycle Circular Cavity-Enhanced Raman Spectroscopy for Trace Gas Detection《面向痕量气体检测的双循环腔增强拉曼光谱技术》为题发表于光学Top期刊Optics Letters，博士生苗俊芳为第一作者，李振钢博士后与方勇华研究员为通讯作者。
拉曼光谱技术虽然具有“指纹”识别能力，但信号微弱。为了增强信号，科研人员常采用光学腔技术，例如法布里-珀罗(F-P)腔、多通腔(MPC)等。前者增益极高，但需要极其严格的共振锁定，对环境震动和温度漂移极度敏感；后者虽然无需共振，但为了追求长光程，往往结构复杂，对光束的入射角度和准直精度要求极高，系统抗干扰能力较弱，难以适配复杂场景应用。
针对上述技术痛点，研究团队构建了一种由23面独立球面反射镜组成的圆形多通腔(C-CERS)，所有反射镜焦点都汇聚在圆环的几何中心。这种特殊的共焦配置结构赋予了系统极高的失准容忍度。光线追踪仿真与实验结果均表明，即使入射激光存在明显的横向、纵向偏移或光束具有较大的发散角，激光束依然能被稳稳地束缚在腔内完成传输，不会发生逃逸。这表明，该系统在复杂的现场环境中具有极佳的稳定性。
为了进一步挖掘探测潜力，团队在光路末端引入了一个回溯反射器，构建了“双周期”光路。激光在腔内完成第一圈反射后，被原路反射后进行第二圈传输，有效光程直接翻倍。该设计不仅利用了前向散射信号，还“回收”了通常被浪费的后向散射信号。实验表明，相比单周期模式，双周期设计的拉曼信号强度提升了约2.3倍，信噪比(SNR)提升了约2倍。
基于该新型装置，研究团队对空气中的痕量气体进行了测试。结果显示，在常温常压下，系统对二氧化碳(CO₂2)的检测限(LOD)达到了 19 ppm(20秒积分时间)，并成功识别出空气中微量的水汽和氧气同位素信号。
本研究工作获得了安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。
