文 献 综 述
摘要：
拉曼散射是指光波在被散射后频率发生变化的现象，拉曼散射是非线性光纤光学领域的重要研究课题之一。本课题旨在了解拉曼散射工作原理，学习气体的后向拉曼散射信号特点，然后根据要求掌握后向拉曼散射信号检测方法并初步设计装置，做出具体的实验对拉曼散射的气体后向散射信号测量及研究。
关键词： 拉曼散射 气体后向散射信号测量
引言：当一束单色光入射在固态、液态或气态介质上时，从介质中会有散射光向四面八方射出。其中频率v0（等于激发光频率）的散射称为瑞利散射，其余的频率不等于激发光频率的散射为拉曼散射。拉曼散射的频率与入射光频率有明显的变化，即瑞利线长波一侧出现的散射线为斯托克斯线，又称红伴线，强度为瑞利线强度的几百分之一至上万分之一；短波一侧出现的散射线称为反斯托克斯线，又称伴紫线，其强度又要比斯托克斯线的强度弱的多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现。拉曼散射是发射光子和物质分子非弹性碰撞的结果，是非线性光纤光学领域的重要研究课题,应用十分广泛，比如目前比较前沿的测试方法——激光测试技术。由于拉曼散射信号的微弱特性，在进行测量时使用微弱信号检测方法必不可少。通过对拉曼散射气体的研究，能够对气体的散射进行深入的把握，更好的应用到实际中，推动技术发展。
国内外研究的现状：
在国内对拉曼散射的研究已有很多，其中包括以下几项：拉曼散射的气体的研究可以应用到气体的标定式实验，针对激光测试技术中的激光自发拉曼散射技术进行了内燃机领域上的应用研究,该研究利用激光自发拉曼散射测试了气体浓度,完成了发动机缸内主要物质O2、CO2和N2的标定,并对标定结果进行了验证[7]。拉曼散射不仅可以对气体进行定性分析，还能定量测量气体浓度。针对激光测试技术中的激光自发振动拉曼散射测试技术进行了研究，尤其是激光自发拉曼测量气体浓度的方法[8]。
拉曼散射实质就是变化了的波长，根据这一基础，可利用受激拉曼散射实现高效率的有机气体的多波长转换,从而拓展激光波长的种类。该研究从理论和实验两方面出发,研究了有机气体(C2H4和C2H)的受激拉曼散射的特性。通过实验测量了上述两种气体的受激拉曼散射的阈值能量、一阶斯托克斯能量转化效率随着泵浦光能量变化的曲线关系以及一阶斯托克斯能量随着拉曼池气体压力的变化关系曲线,并根据实验现象分析了二种气体的受激拉曼散射特性。实验结果显示,相比之下,C2H4气体输出的受激拉曼散射光更为稳定[9]。
除了在测试技术上对拉曼散射的利用，还有在光纤中的应用与分析。光纤中的受激拉曼散射是非线性光纤光学领域的重要研究课题之一。此研究着重研究光纤中受激拉曼散射的光谱特性及偏振特性，同时将石英光纤和塑料光纤的拉曼光谱进行了比较，并对其在微量气体检测方面的应用研究进行了理论探讨。应用此方法，可以实现对微弱光信号的放大和提取，进而可实现对大气中含量非常低的微量气体进行检测和分析[10]。对于理论模型的研究，以SRS过程中Stokes光子简并度变化速率方程为基础,推导出光纤中Stokes光强沿光纤传输变化方程。此方程直接从理论上证明石英光纤中第一级Stokes光谱是一个双峰结构，Stokes光不但与泵浦光的强度有关,还与本身的衰减有关;当泵浦光较强时,能量由第一个峰转移到第二个峰。与常用的耦合波方程相比,更能体现受激拉曼散射的物理机制[11]。
针对提高拉曼光谱技术对气体探测灵敏度问题，本文设计并搭建了一套基于空芯光纤气体拉曼光谱增强系统，开展了空芯光纤拉曼光谱系统和后向散射拉曼光谱实验系统对比实验研究[16]。
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