近日，中国科学院合肥物质院安光所方勇华研究员团队在腔增强拉曼光谱气体检测领域取得新进展，团队提出并完善了抛物面镜腔增强拉曼光谱（PMCERS）技术，通过光学结构的深度优化与新型算法的结合，显著提升了气体检测灵敏度。相关研究成果以《面向高灵敏度痕量气体检测的优化抛物面镜腔增强拉曼光谱技术》为题发表于光学Top期刊Optics & Laser Technology。

多组分气体检测在环境监测、工业过程控制及医学呼吸诊断等领域具有重要应用价值。拉曼光谱技术凭借其独特的指纹谱特征，可通过单束激光实现多组分气体的同时探测，且不受水汽干扰，具有广阔的应用前景。然而，拉曼散射效应本身极其微弱，受限于较小的散射截面，传统检测方法的灵敏度往往难以满足痕量分析的需求。现有的腔增强技术（如近共心腔）虽然能增加激光与气体的相互作用路径，但在信号收集方面，传统透镜受限于数值孔径，难以高效捕获三维空间中分布的拉曼散射光，导致大量有效信号流失。针对上述难题，团队在光学和算法设计方面开了相关研究。

光学结构设计上，团队提出了一种基于抛物面镜的腔增强拉曼光谱检测方法，依托抛物面镜的大孔径特性大幅提升信号收集效率，并对其进行了深度优化（O-PMCERS）。基于拉曼散射强度的角分布模型，精确推导了抛物面镜的最佳几何参数，确立了D=4p（出射孔径等于4倍焦距）的关键设计准则。此外，通过设计独特的环形反射区，构建了高效的闭环光学回路。该优化设计彻底消除了光学系统中的信号收集盲区，并且有效抑制了腔内杂散光的干扰。

算法优化方面，为了在强噪声背景下准确提取痕量气体的微弱信号，团队构建了连续小波变换（CWT）结合Voigt线型非线性最小二乘拟合（NLS）的算法策略。利用“墨西哥帽”小波基函数对光谱进行多尺度分析，通过设定双重阈值有效滤除随机噪声和基线漂移，实现了对低信噪比光谱数据的精准重构。

实验结果表明，优化的O-PMCERS系统展现出优异的检测性能。与传统的透镜收集近共心腔系统相比，该系统的信噪比（SNR）提升了约11.4倍；与未优化的PMCERS系统相比，信号强度和信噪比也分别实现了显著提升。同时，新系统的气体腔体积被压缩至约22 mL，相比优化前缩小了约 2.7倍。

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。本研究工作获得了中国博士后科学基金、安徽省自然科学基金等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.1145545

O-PMCERS系统原理图

氢气检测结果

算法设计及参数优化