Mélange à quatre ondes dégénéré infrarouge avec conversion ascendante détection pour la détection de gaz Quantitative
Summary
Nous présentons ici un protocole pour effectuer la spectroscopie de gaz sensible et résolue spatialement dans la région de l’infrarouge moyen, en utilisant le mélange à quatre ondes dégénéré combinée avec la détection de conversion ascendante.
Abstract
Nous présentons un protocole pour l’exécution de spectroscopie de gaz en utilisant le mélange à infrarouge quatre ondes dégénéré (IR-DFWM), pour la détection quantitative des espèces de gaz dans la gamme ppm-à-seul-pour cent. L’objectif principal de la méthode est résolue spatialement détection des espèces de faible concentration, qui n’ont aucune transition dans le domaine spectral visible ou infrarouge proche qui pourrait être utilisé pour la détection. IR-DFWM est une méthode non intrusive, qui est un grand avantage dans la recherche de la combustion, que l’insertion d’une sonde dans une flamme peut le changer radicalement. L’IR-DFWM est combiné avec détection de conversion ascendante. Ce système de détection utilise la génération de fréquence somme pour passer le signal IR-DFWM de la mid-IR à la région du proche infrarouge, à tirer parti des caractéristiques du bruit supérieure des détecteurs à base de silicium. Ce processus rejette également la plus grande partie du rayonnement thermique. La mise au point du protocole présenté ici est sur le bon alignement de l’optique IR-DFWM et sur la façon d’aligner un système de détection d’upconversion intracavité.
Introduction
IR-DFWM offre la possibilité de mesurer les concentrations des espèces actives IR vers le bas pour le ppm niveau1, avec une résolution spatiale. IR-DFWM a plusieurs avantages qui en font une technique séduisante pour la recherche de la combustion. Flammes peuvent changer radicalement par l’insertion des sondes, mais IR-DFWM est non intrusive. Il a une résolution spatiale, alors que les concentrations des espèces à différents points de la structure de la flamme peuvent être mesurées. Il fournit un signal cohérent, qui peut être isolé de l’émission thermique de la flamme. En outre, DFWM est moins sensible à la fluorescence d’environnement que, par exemple, induite par laser de collision (FRV), qui peut être difficile de déterminer dans une flamme. La technique donne également accès à des espèces moléculaires qui sont IR actif mais les transitions visible ou proche de manque qui permet de les mesurer avec d’autres techniques.
Alors que DFWM a un certain nombre d’avantages, des techniques alternatives serait préférables si une ou plusieurs de ces avantages ne sont pas nécessaires. Si une résolution spatiale n’est pas nécessaire, techniques basées sur l’absorption sera plus simple et plus précis. Si les espèces moléculaires en question ont des transitions dans la région visible ou infrarouge proche, FRV serait préférable, comme FRV peut fournir des renseignements spatialement résolus depuis un avion plutôt qu’à un seul point. Dans de bonnes conditions, les méthodes non linéaires, tels que DFWM et PS, utilisable également pour des mesures 2D single shot2. Le signal de ces méthodes non linéaires est proportionnels à l’intensité du faisceau sonde coupée en cubes, et que le faisceau de la pompe doit être étendu pour couvrir la zone de mesure 2D, cela nécessite des énergies très forte impulsion ou une combinaison de susceptibilité élevée de troisième ordre, des concentrations élevées et les bruits faibles de travailler. Donc, ça dépend principalement sur les espèces moléculaires s’il s’agit d’une possibilité.
Dans une concurrence plus directe avec DFWM, il y a les autres techniques de spectroscopie quatre-vague-mixage-based : spectroscopie de Raman anti-Stokes cohérente (RAC), la spectroscopie induite par laser grille (Leclerc) et la spectroscopie de polarisation (PS). CARS est une technique bien établie pour mesurer la température et les principales espèces dans des environnements de combustion. Cependant, il manque la sensibilité pour détecter les espèces mineures, car la limite de détection est habituellement environ 1 %2. PS et DFWM ont déjà démontré qu’avoir une sensibilité similaire et les seuils de détection3; Toutefois, le rapport signal-bruit de DFWM s’est avéré augmenter par facteur 500 lorsqu’il est combiné avec conversion ascendante détection4, tandis que le PS a montré seulement une 64-fold augmentation5. Leclerc a l’avantage d’induire une grille, en utilisant la lumière infrarouge, mais à mesurer l’effet de la réfraction d’un laser de la sonde de cette grille, et la longueur d’onde de ce laser de la sonde peut être choisie librement6. La longueur d’onde du laser sonde peut, par conséquent, être dans la région visible, où les détecteurs à base de silicium rapides et faible bruit sont disponibles. Il s’agit de l’avantage même qui est obtenu en utilisant la conversion ascendante. Leclerc a l’inconvénient qu’il est très sensible à la collision2, ce qui signifie que la concentration des espèces de gaz majeur doit être connue pour la concentration précise ou des mesures de température avec Leclerc. Si cette question est vaincue, Leclerc a une sensibilité similaire à la fois DFWM et PS à3de la pression atmosphérique, mais où le Leclerc signal augmente avec l’augmentation de la pression, le signal de DFWM et PS augmente à une pression plus basse, ce qui signifie le plus technique dépendra de l’environnement de la pression.
Détection de conversion ascendante est la technique de la conversion d’un signal de grandes longueurs d’onde de courts à l’aide de la génération de fréquence somme. L’avantage de ceci est que les détecteurs de la gamme visible ou proche infrarouge ont moins de bruit et une sensibilité plus élevée que leurs homologues dans la région du mid-IR. Ceci a été étudié tout d’abord il y a cinq décennies7, mais a vu très peu d’attention et utiliser depuis, en raison de l’efficacité de la conversion faible. Toutefois, grâce aux progrès des techniques de production pour le lithium périodiquement polarisée niobate (PPLN) et autres matériaux non linéaires coefficients élevés, aussi bien que la disponibilité accrue des diodes laser de haute puissance (LDs), la technique a attiré augmenté attention dans la dernière décennie, avec des applications couvrant des domaines tels que la détection de photon unique mid-IR8,9,10,11, IR lidar12,13et hyperspectrale 14,15 et microscopie16en imagerie. Le principal avantage de la combinaison upconversion détection avec IR-DFWM, c’est que la condition de phase-match dispose d’une bande étroite acceptation angulaire et spectrales, qui discrimine fortement le fond thermique, ce qui permet la détection des signaux plus faibles.
Protocol
Representative Results
Discussion
La précision de l’alignement du faisceau laser pulsé est essentielle à la sensibilité de la méthode. Il faut en particulier s’assurer que les poutres sont séparés par une distance égale après les plaques de wagons couverts et que les poutres sont également espacées autour du centre de L1. Écart par rapport à cela conduira à une baisse significative dans l’intensité du signal et, par conséquent, la sensibilité. De même, il faut que la cavité de module de conversion ascendante s’exécute dans le mode fondamental, et que le faisceau signal est aligné pour un recouvrement optimal avec la pompe à conversion ascendante. Le signal peut facilement être réduit par un ou deux ordres de grandeur si la cavité upconversion s’exécute dans un mode incorrect ou le chevauchement de faisceau de signal avec le champ de la cavité n’est pas optimale. Cela inclut les plaçant L3 avec une précision millimétrique de sorte que le point focal de signal faisceau se trouve au milieu du cristal PPLN. Avec un recouvrement optimal et 80 W de puissance de la cavité, un rendement quantique de 6 % de la scène de la SFG est possible. Avec le détecteur et la longueur d’onde utilisée ici, l’efficacité de la détection totale est de 3 %. La puissance d’intracavité maximale pouvant être atteinte est de 120 W, mais 80 W peut être réalisé de manière fiable. Le rendement de conversion est proportionnel à la puissance intracavité, alors les signaux enregistrés avec une puissance différente intracavité peuvent être comparées, si la puissance intracavité est enregistrée.
Le principal facteur limitant pour la sensibilité de cette méthode est la diffusion de fond, qui se noie des signaux faibles. Pour limiter cette diffusion, il est essentiel que les optiques sont maintenus sans poussière, particulièrement objectif L1. Également veiller que la position du bloc faisceau minimise le bruit de fond. Le bloc de la poutre doit être placé sur un xy-stade afin qu’il puisse être déplacé de manière contrôlée en horizontal et vertical plan, perpendiculaire à la direction des faisceaux.
La numérisation discuté ici est faite avec le PPLN à une température constante. Le rendement de conversion est proportionnel à la sinc (ΔkL/2π)2, où Δk est le déphasage et L est la longueur du cristal. La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de cette fonction est la largeur de bande du détecteur à une température constante de cristal PPLN. La FWHM de cette fonction change avec la température de cristal et de la longueur d’onde, mais est généralement de l’ordre de 5 cm-1 dans le mid-IR, pour un cristal de long 20 mm. L’exception est près de 4 200 nm, où la largeur augmente grandement18.
Aucune mise à l’échelle optique n’ont été inclus dans le schéma de configuration dans la Figure 2, parce qu’il y a un certain nombre de questions à considérer avant de décider quoi, s’il en est, l’échelle est nécessaire. Pour la configuration décrite ici, le faisceau laser pulsé est collimaté à un diamètre de faisceau de 2 mm environ en arrivant sur L1. Ce qui donne une taille de faisceau au point focal d’environ 400 µm, avec une longueur d’onde de 3 µm. Lorsque vous implémentez cette technique, il pourrait être souhaitable de modifier la distance focale de la L1, soit parce que plus d’espace est nécessaire entre la L1 et le point focal pour des raisons pratiques, ou pour réduire le volume de mesure en augmentant les angles de la convergence, qui peuvent être fait en utilisant une focale plus courte. Dans ce cas, la taille de faisceau au point focal doit être maintenue à environ 400 µm et le faisceau collimaté devrait être mis à l’échelle pour correspondre. Il convient toutefois de tenir compte du fait que l’augmentation du diamètre de faisceau sans augmenter l’espacement entre les poutres augmentera la diffusion par les bords de bloc de faisceau. La résolution spatiale est donnée par la superposition des faisceaux pompe. Pour la configuration décrite ici, le chevauchement est de 6 mm de long, donc le volume de mesure est un cylindre de 6 mm de long, avec un rayon de 0,4 mm.
Pour atteindre la quasi-phases correspondant dans le cristal PPLN, le signal IR moyen tant le champ endocavitaire de la cavité de conversion ascendante doivent être extraordinairement polarisées dans le cristal PPLN. La cavité de conversion ascendante doit être construite afin que la polarisation du champ intracavité est automatiquement droite. Si le laser IR moyen ne correspond pas déjà cela, un waveplate peut être inséré à la laser IR moyen de sortie de tourner la polarisation.
IR-DFWM nécessite relativement haute énergie impulsions, 1-4 mJ, combinée à une étroite assez linewidth laser pour résoudre les lignes moléculaires, qui sont de l’ordre de 0,1 cm-1. Lasers qui correspondent à ces critères généralement ont les taux de redoublement faible, et que l’acquisition de données avec DFWM est généralement faite par la longueur d’onde du laser à balayage, ce qui limite vitesse de mesures. Cela signifie que la méthode est plus facilement appliquée aux mesures où le sujet ne change pas au fil du temps, mais il a également été appliqué aux mesures résolues dans le temps,17. Une autre limitation est que, en raison de la sensibilité à la lumière diffusée, particules dans ou près du volume de mesure vont créer des événements de diffusion qui noient complètement le signal17. La condition de match de la phase du processus de conversion ascendante est spectralement étroite, qui aide à éliminer le bruit émis par le rayonnement thermique, mais il rend balayages sur une gamme large de longueur d’onde plus longues que la température PPLN doit être réglée pour garder le longueur d’onde signal correspondait à la phase.
Les utilisations futures de IR-DFWM sont prévues pour la détection de NH3 en flammes, ou de poursuivre le travail avec HCN dans des environnements plus pratiques. Le moyen le plus évident pour l’amélioration de la méthode consiste à réduire encore davantage le fond de la lumière diffusée. Cela pourrait se faire à l’aide de filtrage spatial du faisceau signal après le signal est recueilli par L2.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les fonds reçus par les auteurs dans le cadre de l’Horizon 2020 par l’Union européenne sont hautement appréciée. Ce travail a été mené dans le cadre du réseau de formation innovante technologie moyenne Marie Curie [H2020-ACEM-ITN-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
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