基于折叠近共心腔的拉曼光谱气体探测方法研究

拉曼光谱技术以多组分同时探测、无需样品预处理等优势被用于多个领域,但是较低的探测灵敏度制约了其更广泛的应用。为了提高拉曼光谱技术气体探测的灵敏度,文章报道了一种基于折叠近共心腔对气体拉曼信号进行增强的方法。该方法通过向多次反射腔中心引入一片高反射率平面镜将腔体从中心处进行折叠,使腔体中心处光束相互重叠以增加光线密度和光通量,进而提高系统的探测灵敏度。采用TracePro软件对不同模式下的多次反射腔进行光线追迹和通量分析(激光:300 mW@532 nm,镜面反射率:99%@532 nm),结果表明光腔折叠方式能够显著提高反射腔中心处的光通量。折叠近共心腔在反射次数为68次的情况下,光腰中心处光通量可达22.35 W,约为近共心反射腔光通量的1.5倍左右。进一步搭建了多次反射腔对模拟结果进行验证,实验结果表明:折叠近共心腔对拉曼信号信噪比增强效果最好,约为49倍;近共心腔次之为36倍;是折叠共心腔为24倍;最后是共心腔为17倍。与未折叠的近共心腔相比,采用折叠近共心腔采集的气体拉曼信号信噪比提高了约1.4倍。根据该系统探测到的空气中的二氧化碳拉曼峰相对强度,以三倍于噪声强度的信号作为检出限标准,估算出该系统对于二氧化碳的检测限约为0.13 mg·L^-1(66 ppm)。

腔增强气体拉曼光谱仪在气测录井中的应用

目前气测录井主要采用气相色谱分析,气相色谱需要氢气助燃,氢气和持续的火焰有一定危险性需要远离井口,从而导致气体探测时间延迟,拉曼光谱有望解决这一问题。针对气测录井现场高灵敏度、快速多组分气体检测的需求,研发了一套基于腔增强的气体拉曼光谱检测系统,该系统灵敏度高、体积小、安全方便、可实现烷烃、氢气和二氧化碳等多种气体同时探测。本文首先描述了系统的设计与参数,然后在实验室测试了该系统对于烷烃气体和非烃气体进行分析的工作性能,实验结果表明该气体拉曼光谱检测系统对甲烷、氢气和二氧化碳的探测线性度良好,检测限分别为30 ppm、201 ppm和495 ppm。之后将该系统于山东东营胜利油田进行了现场试验,并与气测录井的气相色谱仪分析结果进行对比,实验结果表明,拉曼光谱系统与气相色谱仪分析结果吻合度较高,相比气相色谱具有更高的时间分辨率,同时能够探测到气相色谱所不能探测的氢气等气体浓度变化趋势,满足气测录井现场高灵敏度、快速及多组分检测的需求。