谐振腔方式增强拉曼效应的研究*

王洋，蒋书波，王凡

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京211816)

谐振腔方式增强拉曼效应的研究*

王洋，蒋书波*，王凡

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京211816)

拉曼效应因其拉曼散射强度低，用于物质的定量分析时，灵敏度过低的缺点使其在广泛应用时受到阻碍，需要寻找方法实现拉曼增强。设计从谐振腔基本理论出发，重点分析了谐振腔腔长与拉曼散射强度的关系，通过腔与腔之间的模式匹配来减小腔内的激光损耗，最终实现拉曼光的增强。实验结果显示，谐振腔样品池内的拉曼信号显著增强，验证了谐振腔方式增强拉曼效应方法的可行性。

拉曼效应;拉曼增强;谐振腔;模式匹配

拉曼散射于1928年被印度物理学家Raman C V发现后，在分子级的物质分析方面应用广泛，早期的应用多是通过获取拉曼光谱判定未知物质的相关信息。在激光引入拉曼散射实验后，拉曼光谱用于工业过程的定量检测开始快速发展，然而拉曼散射也有拉曼散射强度低的缺点［1］，所以拉曼效应是比较弱的效应，很难获取期望的拉曼光谱图。研究人员在如何增强拉曼弱效应的问题上作了大量研究，提出一些新的拉曼增强方法［2］如:表面增强法、共振法、激光显微法及谐振腔法等。其中，光学谐振腔由于具体应用不受不同领域的限制，通用性较好，因而研究广泛。目前，腔增强的方法主要有共心腔增强原理、光学微环谐振腔、Fabry-Perot腔等［3］。不同于上述谐振腔原理，本文重点研究腔中激光功率与腔长的关系，并建立起谐振腔模式，以此提出一种增强拉曼效应的方法。

1 谐振腔增强拉曼效应系统设计

拉曼散射信号光的强度正比于激发光的光强度，总拉曼光强度是各分光束拉曼光强度的叠加，即在某空间中激光所激发出的拉曼光强。因此能够使激光能量增强的腔都能达到增强拉曼散射信号的目的。谐振腔可以将某一特定频率和方向的光最优放大，并抑制其他频率和方向的光，在激光器领域被广泛应用。

谐振腔方式增强拉曼效应的主要原理是将激光束限制在腔中，让其在腔内多次来回反射，由于激光二极管能量的不断累积使得腔内的激光束能量逐渐增大，又由于激发光传播的过程不可避免损耗的产生，当激发光在腔内能量的累积量与损耗量近似相等时，腔内光束的功率增强到一定值后将趋于稳定。实验系统结构如图1所示，系统对激发光本身的特性有较高要求，需要保证其中心波长及稳定性［4］。

图1 实验系统结构简图

1.1 半导体激光器

半导体激光器也称作激光二极管(LD)，LD通过两个由半导体晶体构成的能带间电子的跃迁形成发射光，该发射光源具有相干性。为了输出相干激光需要满足粒子数反转和阀值条件。粒子数反转条件是必要的，因为只有处在高能级导带上的电子向低能级带发生跃迁时才能辐射出光子，且此光子的能量就是这两个能带的差值。阀值条件则需要前者辐射后的能量增益能够抵消半导体晶体的内部损耗以及外部的输出损耗，激光器只有在满足阀值条件以后才能出现净增益，其阀值条件如式(1)所示:

式中，gth是阀值增益，αi是晶体内部损耗，αout表示输出损耗。由于其实质就是将电子转变成光子的泵浦元件，所以一般都以阀值电流作为激光器设计前的重要参数［5］。

1.2 光路系统设计

激光二级管驱动电路的设计和对激光二极管温度的控制设计是本光路系统平台的基础，参见图1，光路系统主要包括准直系统、光阑、谐振腔1以及谐振腔2。

(1)准直系统

由于激光二极管的特殊结构，其发出的光束在同PN结的垂直方向与平行方向上存在很大差异，如图2所示。本激光二极管发散角范围为θ‖≤8°、θ⊥≤30°。为使输出原场光束均匀分布，采用THORLABS公司的激光二极管准直集成系统(LTN330-B)。

图2 光束发散角

其准直原理主要采用了双椭圆柱透镜的方法，当位于椭圆焦点位置的点光源发出一束光，从光密介质射入光疏介质，再经过椭圆面折射之后，光束将变成同此椭圆长轴平行的光。在准直系统中，两个焦距不等的椭圆柱透镜之间的距离已被确定好且其母线相互垂直，第1个椭圆柱透镜的作用是将光源快轴方向的发散角压缩，第2个椭圆柱透镜的作用则是压缩光源慢轴方向的发散角。这样在快轴与慢轴两个方向就都能准直光束。原理示意图如图3所示。

图3 准直光束原理示意图

(2)检测器位置

在拉曼技术中，对于某一特定的气体来说其拉曼频移是一定的，与激发光的功率没有关系，只跟被检测气体本身的分子结构有关。当我们检测样品池中某一被测气体的浓度时，由于事先已知其分子的拉曼频移和激光的频率，由此可确定滤光片的波长参数，最后通过检测此波长的光子强度就能知道被测气的浓度。

分析拉曼信号检测角度与其散射强度之间的关系，其散射方向在前向与后向时拉曼强度最大，在侧向的拉曼强度为最小。本设计中将检测端口放在谐振腔2的侧向，这样做的好处是一方面避免激光入射光束的影响，另一方面能测试此种方法的增强强度。

2 谐振腔模式匹配参数理论计算

参见实验系统结构图1，在光阑大小和谐振腔2长度确定之前，固定谐振腔1的长度为40mm，并已知半导体激光器输出光中心波长为650 nm，准直集成系统出射光光束半径为0.05mm。光阑大小的确定与从准直系统发射出的基模高斯光束在其位置处的光斑半径相关［6］，此外为减小选模后的基模高斯光束的衍射损耗，实际实验设计时将小孔光阑放在谐振腔1内紧靠镜面处，因此其与准直系统末端面的距离L可近似等同于准直系统末端面与谐振腔1镜面处的距离，最后根据基模高斯光束沿其传播方向在任意位置z处的光斑半径的计算公式［7］，将已知参数代入后有:

计算后得ω(z)=0.17 mm。

在实际的光阑大小确定中，由于不可避免的测量误差等因素导致不能直接选取这种理想情况下的光阑。如果光阑选取太小，则会导致腔内的光束被阻挡掉部分;而如果选取的过大，将导致其他高阶模式外的光穿过光阑。因此，根据计算出的理想光阑大小，选择了比其约大30%的光阑［8-9］，最终定为0.4mm。

最后根据谐振腔1计算得到基模高斯光束的光斑半径及对称共焦腔中的基模高斯光束在两反射镜上的光斑半径和腔长的关系，得到其模式匹配下的腔长L为:

把式(2)计算得出的对称共焦腔内的光斑半径及中心波长代入上式后，得:

计算后得模式匹配条件下谐振腔2的腔长L= 14 cm。

3 谐振腔模式匹配测试

此处测试主要研究增强系统在谐振腔2腔长变化情况下，腔内光束功率和腔长的关系。前文对谐振腔2腔长的计算主要是基于模式匹配情况设计的，为了同其他情况作对比，主要测试多组不同腔长情况下的腔内光束功率。在测试光束功率时，具体方法是将功率计的探头放在谐振腔2的末端面，并记入其数值，由于其反射率仅为99.99%，数值计算后并不是实际的功率，测出的功率只是0.01%，之后将其转换并记录。由前文分析知，在谐振腔L2腔长不同的情况下，其在平凹透镜上的光斑半径不一样，此处选择特征性的3种腔长，分别为L2=10 cm、L2=14 cm、L2=18 cm。分别得其在端面处光斑半径大小，结果如图4所示。

最后通过功率计测试，当谐振腔L2腔长不同时腔内光束的功率并记录，绘制折线图如图5所示。由此可得光斑半径受谐振腔L2长度影响，且谐振腔L2内在腔镜面上的光斑半径与光束L2在端面处光斑半径几乎一样，在此种情况下两个谐振腔之间耦合效果最佳。

图4 光斑半径示意图

图5 腔内光束功率折线图

观察图5发现当腔长L2=14 cm时，此时腔内功率达到最大值，主要由于此处是最佳耦合点，其耦合损耗最小。另外，最佳耦合点附近功率变化比较大，由此表明此种谐振腔增强方式，对腔长要求很高，腔长的误差将导致光束功率的骤减。

该次谐振腔模式匹配是基于谐振腔L1长度不变这一假设。若考虑将谐振腔L2的长度保持不变，可以猜想也会有个最佳值，但此种情况另需注意一个问题，即谐振腔1内的基模高斯光束在激光二极管端面处光斑大小不能超出其端面半径。

最终设计谐振腔L2的长度为14 cm，由此得到腔内最大功率光束，此时腔内积聚的激发光同样品发生散射作用后将产生最大的拉曼强度，最终实现拉曼信号的增强。

4 实验测试与结果分析

实验材料及仪器包括激光二极管(中心波长650 nm，光束发散角θ‖≤8°、θ⊥≤30°，典型电流值170 mA，最大偏差1.5mA，线宽150 kHz，典型工作温度20℃，最大偏差1℃)、TEC半导体制冷片、日本滨松公司生产的光子强度检测器MPPC模块、THORLABS公司产的功率计(PM100D)和激光二极管准直集成系统(LTN330-B)、自主研发的激光器驱动电路和温度控制系统、自主设计的上位机监控平台、笔记本电脑、纯度≥99.999 9%的N2、发黑铝、Edmun公司的平凹透镜、光阑等。其最终系统平台如图6所示。

图6 实验系统平台

在实验过程中，实验环境为黑暗情况下，避免不必要的外界光影响。下面将分6种情况进行实验，这6种情况分别为:

(1)LD驱动电路不工作，样品池内不通N2;

(2)LD驱动电路不工作，样品池内通N2，压力0.5 MPa;

(3)LD驱动电路不工作，样品池内通N2，压力1.5 MPa;

(4)LD驱动电路工作，样品池内不通N2;

(5)LD驱动电路工作，样品池内通N2，压力0.5 MPa;

(6)LD驱动电路工作，样品池内通N2，压力1.5 MPa。实验测试结果如图7所示。

图7 实验结果图

由实验a、b、c可知，在激光二极管驱动电路不工作的情况下，其腔内氮气的拉曼散射强度几乎为零，与其腔内是否通气或压力都无关。实验d样品池谐振腔内的气体为空气(空气中含有70%的氮气)，与实验a、b、c相比光子数显著增加，这主要是由于腔内积聚的激发光同氮气分子作用后拉曼强度大大增加。实验d、e、f中光子数逐步递增，其本质是样品池谐振腔内的氮气浓度逐步升高，导致腔内氮气的拉曼散射概率增大。

综合上述实验，当激光二极管驱动电路不工作时(即无激光产生时)，无论样品池谐振腔内是否通氮气，拉曼散射强度都很弱。驱动电路工作时，拉曼散射几率显著提高，且腔内的拉曼散射信号得到增强，实验定性分析了拉曼散射强度同激发光的密切联系。结合前文对腔内光束功率的测定，说明了此谐振腔方式增强拉曼效应方法的可行性。

5 总结

设计了谐振腔方式增强拉曼效应的系统平台，通过理论分析和实验验证最终定性分析了谐振腔增强拉曼效应方法的可行性。实验证明，该方法能有效增强拉曼光强，为拉曼光谱技术在气体检测方面的应用提供了一种方案。

［1］郑凌晨，管孟文，李名舒，等.“金属-有机物-金属”三明治型表面增强拉曼散射探针的制备及在免疫检测中的应用［J］.电子器件，2015，38(1):1-6.

［2］陶在红，常建华，孙小菡，等.宽带光纤拉曼放大器的优化设计［J］.电子器件，2003，26(4):444-446，450.

［3］王陆山，冯全源.交叉耦合介质谐振腔滤波器［J］.电子器件，2013，36(5):627-630.

［4］汪开源，刘柯林，唐洁影.多孔硅的光致发光谱［J］.电子器件，1994，17(2):48-53.

［5］王耀，吴沛，徐春祥，等.并五苯薄膜微结构及光谱分析［J］.电子器件，2005，28(2):268-270.

［6］吴旭峰，凌一鸣.单壁碳纳米管生成条件下电弧等离子体光谱分析［J］.电子器件，2006，29(4):1372-1374，1378.

［7］张修太，黄蕙芬.Ga2O3:Mn电致发光薄膜的微结构及光谱特性研究［J］.电子器件，2004，27(4):581-584.

［8］刘志刚，张兆传，李现霞.利用MWS对速调管谐振腔的计算和优化［J］.电子器件，2007，30(5):1797-1799.

［9］李正斌，张修太.基于圆柱谐振腔结构的接近传感器研究［J］.电子器件，2012，35(5):526-529.

王洋(1991-)，男，汉族，安徽省巢湖市，南京工业大学，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置，williamyoung91@outlook.com;

蒋书波(1975-)女，汉族，黑龙江省哈尔滨市，南京工业大学，博士，副教授，主要研究方向为检测技术与自动化装置，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

项目来源:国家自然科学基金项目(61308066)

2016-01-25修改日期:2016-06-02