الأشعة تحت الحمراء من أربع موجات منحط الاختلاط مع Upconversion للكشف عن كمية الغاز الاستشعار
Summary
هنا، نحن نقدم بروتوكولا لإجراء التحليل الطيفي الحساسة ومكانيا تحل الغاز في منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء، استخدام منحط الاختلاط موجه أربعة جنبا إلى جنب مع كشفها upconversion.
Abstract
نقدم بروتوكولا لأداء الغاز التحليل الطيفي باستخدام الأشعة تحت الحمراء تحولت الموجه أربع خلط (الأشعة تحت الحمراء-دفوم)، للكشف عن كمية الغاز الأنواع في حدود جزء من المليون إلى واحد في المائة. والغرض الرئيسي من الأسلوب هو الكشف عن حل مكانياً الأنواع تركيزات منخفضة، والتي قد لا توجد انتقالات في النطاق الطيفي مرئية أو القرب من الأشعة تحت الحمراء التي يمكن أن تستخدم للكشف عن. الأشعة تحت الحمراء-دفوم هو أسلوب نونينتروسيفي، وميزة كبيرة في بحوث الاحتراق، كإدراج تحقيق إلى لهب يمكن تغييره جذريا. الأشعة تحت الحمراء-دفوم هو جنبا إلى جنب مع كشفها upconversion. يستخدم هذا النظام الكشف عن توليد التردد المبلغ لنقل إشارة الأشعة تحت الحمراء-دفوم من منتصف الأشعة تحت الحمراء إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء، للاستفادة من خصائص الضوضاء متفوقة على أساس السيليكون للكشف عن. وترفض هذه العملية أيضا معظم الإشعاع الحراري الخلفية. بروتوكول المعروضة هنا ينصب التركيز على التوافق السليم للبصريات دفوم الأشعة تحت الحمراء وعلى كيفية مواءمة نظام لكشف upconversion والتجويفي.
Introduction
الأشعة تحت الحمراء-دفوم يوفر القدرة على قياس تركيزات أنواع الأشعة تحت الحمراء نشط وصولاً إلى جزءا من المليون من المستوى1، مع القرار المكانية. الأشعة تحت الحمراء-دفوم له العديد من المزايا التي تجعل من أسلوب جذاب لبحوث الاحتراق. السنة اللهب يمكن أن تتغير جذريا بإدراج إجراء تحقيقات، ولكن الأشعة تحت الحمراء-دفوم نونينتروسيفي. فقد حل مكانية، حتى يمكن قياس تركيزات الأنواع في نقاط مختلفة في هيكل اللهب. وهو يوفر إشارة متماسكة، والتي يمكن أن تكون معزولة عن الانبعاثات الحرارية من اللهب. بالإضافة إلى ذلك، دفوم أقل حساسية للأسفار البيئة مما كان، على سبيل المثال، المستحثة بالليزر الاصطدام (LIF)، الذي يمكن أن يكون من الصعب تحديد في لهب. كما يوفر التقنية الوصول إلى الأنواع الجزيئية التي هي الأشعة تحت الحمراء نشط لكن الافتقار إلى التحولات مرئية أو قرب مرئية التي يمكن استخدامها لقياس هذه مع غيرها من التقنيات.
بينما دفوم يحتوي على عدد من المزايا، قد يكون من الأفضل إذا كان واحد أو أكثر من هذه المزايا لا تلزم تقنيات بديلة. إذا لا حاجة لقرار المكانية، ستكون التقنيات المستندة إلى استيعاب كل من أبسط وأكثر دقة. إذا الجزيئية الأنواع المعنية بالتحولات في المنطقة المرئية أو القرب من الأشعة تحت الحمراء، قد يكون الأفضل، ليف ليف يمكن أن توفر معلومات تحل مكانياً من طائرة بدلاً من مجرد نقطة واحدة. في ظل الظروف الصحيحة، يمكن أيضا استخدام أساليب غير الخطية، مثل دفوم و PS، للقياسات 2D طلقة واحدة2. الإشارة لهذه الأساليب غير الخطية تتناسب مع كثافة شعاع مسبار مكعبة، وكما يجب توسيع شعاع مضخة لتغطية مجال القياس 2D، وهذا يتطلب طاقات ذبذبة عالية جداً أو مزيج من ارتفاع قابلية الترتيب الثالث، تركيزات عالية، والضوضاء الخلفية منخفضة للعمل. ولذلك، فإنه يعتمد في الغالب على الأنواع الجزيئية عما إذا كان هذا احتمال.
في منافسة مباشرة مع دفوم، هناك أربعة موجه-الاختلاط-على أساس الطيفية التقنيات الأخرى: متماسكة لمكافحة ستوكس رامان الطيفي (السيارات)، والتحليل الطيفي [غرتينغ] المستحثة بالليزر (ليجس) والاستقطاب الطيفي (PS). السيارات تقنية راسخة لقياس درجة الحرارة والأنواع الرئيسية في بيئات الاحتراق. بيد أنها تفتقر إلى الحساسية للكشف عن الأنواع البسيطة، كالحد من الكشف هو عادة حوالي 1%2. ملاحظة: ودفوم سابقا تبين أن لديها حساسية مماثلة والكشف عن حدود3؛ ومع ذلك، قد ثبت نسبة الإشارة إلى الضوضاء دفوم زيادة عامل 500 عندما جنبا إلى جنب مع كشفها upconversion4، بينما أظهرت PS فقط بزيادة 64-fold5. ليجس له ميزة الذي يحفز [غرتينغ]، باستخدام ضوء منتصف الأشعة تحت الحمراء، ولكن التدابير الأثر إنكسار ليزر التحقيق من هذا [غرتينغ]، والطول الموجي لليزر هذا المسبار يمكن اختيارها بحرية6. الطول الموجي لليزر المسبار يمكن، بالتالي، في منطقة مرئية، حيث تتوفر كاشفات سريعة ومنخفضة الضوضاء على أساس السيليكون. هذا هو نفس الميزة التي يتم تحقيقه باستخدام upconversion. لقد ليجس أن العيب أنه حساس جداً للتصادم2، مما يعني أنه يجب أن يكون معروفا أن تركيز غاز رئيسية الأنواع للتركيز الدقيق أو قياسات درجات الحرارة مع ليجس. إذا تم التغلب على هذه المسألة، ليجس حساسية مماثلة دفوم و PS عند الضغط الجوي3، ولكن فيها إشارة LIGS يزيد مع زيادة الضغط، الإشارة من دفوم و PS يزيد في خفض الضغوط، مما يعني المفضل أسلوب يعتمد على البيئة الضغط.
كشف Upconversion هي تقنية تحويل إشارة من الأطوال الموجية الطويلة لأقصر منها باستخدام جيل التردد المبلغ. وميزة هذا أن يكون الكشف في النطاق المرئي أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء أقل ضوضاء وحساسية أعلى من نظرائهم في منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء. وهذا كان التحقيق أولاً قبل خمسة عقود7، لكنها شهدت القليل جداً من الاهتمام واستخدم منذ ذلك الحين، بسبب كفاءة التحويل منخفضة. ومع ذلك، مع التقدم في تقنيات الإنتاج لدوري poled الليثيوم نيوبات (بلن) والمواد الأخرى مع ارتفاع معاملات غير الخطية، كذلك زيادة توافر التقنية الليزر عالية الطاقة الثنائيات (LDs)، وقد اجتذب زيادة الاهتمام في العقد الأخير، مع التطبيقات تغطي مجالات من قبيل منتصف الأشعة تحت الحمراء واحدة-فوتون الكشف عن8،9،،من1011والأشعة تحت الحمراء ليدار12،13والطيفي التصوير14،15 والفحص المجهري16. والميزة الرئيسية للجمع بين upconversion الكشف بالأشعة تحت الحمراء-دفوم هو أن شرط المباراة المرحلة فرقة قبول الزاوي والطيفية ضيقة، التي تميز بشكل كبير على خلفية الحرارية، مما يتيح الكشف عن إشارات أضعف.
Protocol
Representative Results
Discussion
دقة محاذاة شعاع الليزر النبضي أمر حاسم لحساسية للأسلوب. ويجب إيلاء عناية خاصة للتأكد من أن الحزم مفصولة بمسافة متساوية بعد لوحات وغطت وأن العوارض متباعدة على قدم المساواة حول مركز L1. الانحراف عن هذا سيؤدي إلى انخفاض كبير في كثافة إشارة، ومن ثم حساسية. وبالمثل، يجب الحرص أن تجويف الوحدة النمطية upconversion قيد التشغيل في الوضع الأساسي واتساق شعاع إشارة لوجود تداخل أمثل مع المضخة upconversion. يمكن بسهولة الحد الإشارة واحدة أو اثنين للحجم إذا تجويف upconversion قيد التشغيل في وضع خاطئ أو التداخل شعاع الإشارة مع الحقل تجويف دون المستوى الأمثل. وهذا يشمل وضع L3 بالملليمتر من الدقة حتى لا يكون إشارة شعاع الوصل في وسط كريستال بلن. مع تداخل أمثل و 80 واط من الطاقة تجويف، الممكن كفاءة كم 6% من مرحلة سفج. كاشف والطول الموجي المستخدم هنا، هو كفاءة الكشف الإجمالي 3%. قوة والتجويفي الحد الأقصى الذي يمكن التوصل إليه هو 120 واط، ولكن يمكن تحقيق 80 ث موثوق بها. كفاءة التحويل متناسب مع قوة والتجويفي، حتى يمكن مقارنة الإشارات المسجلة مع قوة والتجويفي مختلفة إذا تم تسجيل قوة والتجويفي.
العامل المحدد الرئيسي لحساسية هذا الأسلوب هو بعثرة الخلفية، الذي يغرق إشارات ضعيفة. للحد من هذا التشتت، من الأهمية بمكان أن البصريات تبقى خالية من الغبار، لا سيما العدسة L1. ويجب أيضا الحرص أن موقف كتلة شعاع يقلل من الضوضاء الخلفية. وينبغي وضع كتلة شعاع في مرحلة تخطيط س ص بحيث يمكن نقلها بطريقة الخاضعة للرقابة في كلا الأفقية والعمودية الطائرة، عمودي على اتجاه الحزم.
ويتم المسح مناقشتها هنا مع بلن عند درجة حرارة ثابتة. كفاءة التحويل يتناسب مع سينك (Δكوالا لمبور/2π)2، حيث Δك هو عدم تطابق المرحلة و L هو طول البلورة. العرض الكامل نصف الحد الأقصى (فوم) لهذه الدالة هو عرض النطاق الترددي للجهاز في درجة حرارة كريستال بلن ثابتة. فوهم من هذه الدالة يتغير مع درجة الحرارة كريستال والطول الموجي ولكن عموما يقارب 5 سم-1 في منتصف-الأشعة تحت الحمراء، لبلورة طويلة 20 مم. والاستثناء قرب 4,200 شمال البحر الأبيض المتوسط، حيث العرض يزيد إلى حد كبير من18.
لا البصريات التحجيم قد أدرجت في الرسم التخطيطي للإعداد في الشكل 2، لأن هناك عددا من قضايا للنظر فيها قبل أن يقرر ما إذا كان هناك حاجة لأي زيادة. للإعداد الموضحة هنا، شعاع الليزر النبضي هو وتحديدالمنطقه في قطر شعاع من ca. 2 مم عند الوصول إلى المستوى 1. وهذا يعطي الخصر شعاع في الوصل لحوالي 400 ميكرون، باستخدام طول موجي من 3 ميكرومتر. عند تنفيذ هذا الأسلوب، قد يكون من المستصوب لتغيير البعد البؤري ل L1، أما لأن هناك حاجة إلى المزيد من المساحة بين L1 والوصل لأسباب عملية، أو تقصير وحدة القياس بزيادة تقارب الزوايا، التي يمكن أن تكون يتم ذلك باستخدام أقصر البعد البؤري. في هذه الحالة، ينبغي أن تظل الخصر الشعاع في نقطة محورية في كاليفورنيا-400 ميكرون وينبغي تحجيم شعاع وتحديدالمنطقه للمباراة. ينبغي، مع ذلك، أن تؤخذ في الاعتبار أن زيادة قطر الحزمة دون زيادة تباعد الحزم سيزيد بعثرة من حواف كتلة شعاع. ويرد القرار المكانية بالتداخل بين الحزم مضخة. للإعداد الموضحة هنا، التداخل 6 مم طويلة، حيث يتم قياس حجم اسطوانة طويلة، 6 مم مع دائرة نصف قطرها 0.4 مم.
لتحقيق شبه-المرحلة مطابقة في البلورة بلن، إشارة منتصف الأشعة تحت الحمراء وميدان والتجويفي تجويف upconversion يجب أن يكون غير عادي الاستقطاب في البلورة بلن. ينبغي أن تبني تجويف upconversion حيث أن استقطاب ميدان والتجويفي الصحيح تلقائياً. إذا الليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء لا يطابق الفعل هذا، يمكن إدراج وافيبلاتي في منتصف الأشعة تحت الحمراء ليزر الإخراج لتحويل الاستقطاب.
الأشعة تحت الحمراء-دفوم تتطلب طاقة عالية نسبيا البقول، 1-4 مللي جول، جنبا إلى جنب مع ضيقة ما يكفي لينيويدث الليزر لحل خطوط الجزيئية، وتتراوح بين 0.1 سم-1. أشعة الليزر التي تطابق هذه المعايير عموما معدلات الرسوب منخفض، وكما ويتم الحصول على البيانات مع دفوم عموما عن طريق فحص الطول الموجي الليزر، وهذا يحد من سرعة القياسات. وهذا يعني أن الطريقة الأكثر سهولة يطبق على القياسات فيها هذا الموضوع لم تتغير مع مرور الوقت، على الرغم من أنه طبق أيضا على قياسات حلها وقتيا17. قيد آخر هو أنه نظراً للحساسية للضوء المتناثرة، سيخلق الجسيمات في أو بالقرب من وحدة قياس تشتت الأحداث التي تغرق تماما إشارة17. حالة تطابق المرحلة العملية upconversion طيفيا الضيقة، مما يساعد على القضاء على الضوضاء الناجمة عن الإشعاع الحراري الخلفية، ولكن أنه إجراء مسح عبر نطاقات واسعة للطول الموجي أكثر استهلاكاً للوقت كما يجب ضبطها بلن درجة الحرارة للحفاظ على إشارة الطول الموجي يقابل المرحلة.
ويزمع الاستخدامات المستقبلية للأشعة تحت الحمراء-دفوم للكشف عن NH3 في السنة اللهب، أو أن تواصل العمل مع هكن في بيئات أكثر عملية. الوسيلة الأكثر وضوحاً لتحسين الطريقة لزيادة خفض الخلفية من الضوء المتناثرة. وهذا يمكن القيام به باستخدام التصفية المكانية لشعاع إشارة بعد الإشارة يتم جمعها L2.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بتقدير كبير تمويل تلقاها المؤلف ضمن نطاق أفق 2020 بالاتحاد الأوروبي. وأجرى هذا العمل كجزء من شبكة التدريب المبتكر “التكنولوجيا” منتصف ماري كوري [H2020-مسكاً-أي تي-2014-642661].
Materials
| Nd:YAG laser, pulsed | Spectra Physics | Quantarau Pro-290-10 | Quantity: 1 (For pumping the mid-IR laser) |
| Nd:YAG laser, injection seeding system | Spectra Physics | 6350 | Quantity: 1 |
| NIR Dye laser – OPA system | Sirah | OPANIR | Quantity: 1 |
| HeNe laser | Thorlabs | HNL100LB | Quantity: 1 |
| Dichroic mirror | LASEROPTIK | NA | Quantity: 1, custom order: HR for the mid-IR, transparent for 632 nm |
| Protected Gold Mirrors | Thorlabs | PF10-03-M01 | Quantity: 5 |
| BoxCars Plate | LASEROPTIK | NA | Quantity: 2, Custom order |
| xy-stage | Thorlabs | DTS25/M | Quantity: 2 |
| 500 mm focal length CaF2 lens, Ø2'' | Eksmaoptics | 110-5523E | Quantity: 1 |
| 500 mm focal length CaF2 lens, Ø1'' | Thorlabs | LA5464 | Quantity: 1 |
| 100 mm focal length CaF2 lens, Ø1'' | Thorlabs | LA5817 | Quantity: 1 |
| Iris, Ø50 mm | Thorlabs | ID50/M | Quantity: 1 |
| ND1 IR filter (ZnSe) | Thorlabs | NDIR10B | Quantity: 1 |
| ND2 IR filter (ZnSe) | Thorlabs | NDIR20B | Quantity: 1 |
| ND3 IR filter (ZnSe) | Thorlabs | NDIR30B | Quantity: 2 |
| Upconversion Detector | NLIR | NA (closest equivalent: U3055 3.0-5.5µm) | Quantity: 1, Custom order |
| VIS/NIR Detector Card | Thorlabs | VRC2 | Quantity: 1, (low intensity) |
| NIR Detector Card | Thorlabs | VRC4 | Quantity: 1, (high intensity) |
| MIR Detector Card | Thorlabs | VRC6S | Quantity: 1 |
| Thermal Power Sensor Head | Thorlabs | S302C | Quantity: 1 |
| Power meter console | Thorlabs | PM100D | Quantity: 1 |
References
- Sahlberg, A. -. L., Zhou, J., Alden, M., Li, Z. Investigation of ro-vibrational spectra of small hydrocarbons at elevated temperatures using infrared degenerate four-wave mixing. Journal of Raman Spectroscopy. 47 (9), 1130-1139 (2016).
- Kiefer, J., Ewart, P. Laser diagnostics and minor species detection in combustion using resonant four-wave mixing. Progress in Energy and Combustion Science. 37 (5), 525-564 (2011).
- Sahlberg, A. -. L. Non-linear mid-infrared laser techniques for combustion diagnostics. Lund University. , (2016).
- Høgstedt, L., et al. Low-noise mid-IR upconversion detector for improved IR-degenerate four-wave mixing gas sensing. Optics Letters. 39 (18), 5321 (2014).
- Pedersen, R. L., Hot, D., Li, Z. Comparison of an InSb Detector and Upconversion Detector for Infrared Polarization Spectroscopy. Applied Spectroscopy. 72 (5), 793-797 (2018).
- Sahlberg, A. -. L., Kiefer, J., Aldén, M., Li, Z. Mid-Infrared Pumped Laser-Induced Thermal Grating Spectroscopy for Detection of Acetylene in the Visible Spectral Range. Applied Spectroscopy. 70 (6), 1034-1043 (2016).
- Midwinter, J. E. Image conversion from 1.6 µ to the visible in lithium niobate. Applied Physics Letters. 12 (3), 68 (1968).
- Dam, J., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Tidemand-Lichtenberg, P., Pedersen, C. Room-temperature mid-infrared single-photon spectral imaging. Nature Photonics. 6 (11), 788-793 (2012).
- Pelc, J. S., et al. Long-wavelength-pumped upconversion single-photon detector at 1550 nm: performance and noise analysis. Optics Express. 19 (22), 21445-21456 (2011).
- Mancinelli, M., et al. Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature. Nature Communications. 8 (2), 1-8 (2017).
- Sua, Y. M., Fan, H., Shahverdi, A., Chen, J. -. Y., Huang, Y. -. P. Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons with 3.2 um Wavelength Spacing. Scientific Reports. 7 (1), 1-10 (2017).
- Meng, L., et al. Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4. Optics Express. 26 (4), 3850-3860 (2018).
- Xia, H., et al. Long-range micro-pulse aerosol lidar at 1.5. µm with an upconversion single-photon detector. Optics Letters. 40 (7), 1579-1582 (2015).
- Junaid, S., et al. Mid-infrared upconversion based hyperspectral imaging. Optics Express. 26 (3), 2203-2211 (2018).
- Kehlet, L. M., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Pedersen, C. Infrared upconversion hyperspectral imaging. Optics Letters. 40 (6), 938-941 (2015).
- Hermes, M., et al. Mid-IR hyperspectral imaging for label-free histopathology and cytology. Journal of Optics. 20 (2), 023002 (2018).
- Hot, D., et al. Spatially and temporally resolved IR-DFWM measurement of HCN released from gasification of biomass pellets. Proceedings of the Combustion Institute. , (2018).
- Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P. Ultra-broadband mid-wave-IR upconversion detection. Optics Letters. 42 (8), 1504 (2017).
