基于腔反射连续锁定的光反馈腔增强拉曼光谱技术及其在多气体检测中的应用

本文创新性地提出采用腔反射（而非传统腔透射）结合Pound-Drever-Hall（PDH）锁频技术的光反馈腔增强拉曼光谱（OF-CERS）方案。通过解调腔反射信号生成误差信号控制反馈相位，解决了调制边带失衡问题，将锁频带宽提升至2 kHz，频率噪声抑制最高达40 dB。实验证明该技术使拉曼检测短期灵敏度提升1.8倍（采集速率0.03 s），并通过对异丁烷（i-C4H10）等中链烷烃的检测验证其ppm级多气体同步检测能力。

　　

亮点

本研究提出了一种革命性的光反馈腔增强拉曼光谱（OF-CERS）锁频方案，通过"反其道而行"地利用腔反射信号实现激光频率锁定，就像给超精密光谱仪装上了"动态平衡陀螺仪"，让微弱的气体拉曼信号无所遁形！

理论模型

图1展示了光反馈锁频的核心原理：(a)半导体激光器发出的光经调制后进入光学谐振腔，(b)传统方案通过解调腔透射信号会引入边带失衡（就像天平两端放了不同砝码），而(c)我们创新的腔反射解调方案则像精准的"光谱天平"，直接规避失衡问题。数学推导表明，反射方案能产生更纯净的误差信号驱动PID控制器。

实验装置

实验搭建了一套"光谱猎手"系统（图2）：638 nm半导体激光器（功率150 mW）通过声光调制器产生1.5 MHz调制边带，就像给激光装上"定位信标"。反射光经光电转换后，通过我们设计的"智能反馈电路"实时调节反馈相位，整个过程比传统透射方案响应速度快5倍。

结果讨论

锁频效果令人振奋（图3红曲线）：腔透射光功率稳定在1.5 V，就像被"光学胶水"牢牢粘在共振峰上！功率谱密度分析显示，新方案在2 kHz范围内实现40 dB噪声抑制（图4），相当于给信号装上了"降噪耳机"。短期（0.03 s）拉曼检测灵敏度提升1.8倍，对i-C₄H₁₀等气体的检测限达到ppm级（图5），这些烷烃分子就像被"光谱显微镜"精准捕获。

结论

这项技术就像为多气体检测装上了"涡轮增压器"：无需增加系统复杂度，仅通过创新性的反射锁频方案就实现了快速（600 s曝光）、高敏（<10 ppm）的烷烃检测，为环境监测、化工安全等领域提供了强大的"分子嗅探器"。