Infrarot-entartete vier-Welle mischen mit Großbildschirmen Erkennung für Quantitative Gassensorik
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um sensible, räumlich aufgelöste Gas-Spektroskopie im mittleren Infrarot Region, durchführen mit degenerierten vier-Welle mischen mit Großbildschirmen Erkennung kombiniert.
Abstract
Wir präsentieren ein Protokoll für die Durchführung von Gas-Spektroskopie mit Infrarot-degenerierten vier-Welle mischen (IR-DFWM), für den quantitativen Nachweis von Gas-Arten im Bereich von ppm bis einem Prozent. Der Hauptzweck der Methode ist die räumlich aufgelöste Erkennung von Low-Konzentration-Arten, die keine Übergänge im sichtbaren oder in der Nähe von IR-Spektralbereich haben, die für die Erkennung verwendet werden könnte. IR-DFWM ist eine Rezi-Methode, die ein großer Vorteil in der Verbrennungsforschung ist, wie das Einfügen eine Sonde in eine Flamme kann es drastisch ändern. Die IR-DFWM wird mit Großbildschirmen Erkennung kombiniert. Diese Erkennung Schema verwendet Summe-Frequenz-Generation, um das IR-DFWM-Signal von-IR, in der Nähe von IR-Bereich, das überlegene Geräuschverhalten von Silizium-basierten Detektoren nutzen zu verschieben. Dabei lehnt auch die meisten der thermische Hintergrundstrahlung. Die hier vorgestellten Protokoll konzentriert sich auf die korrekte Ausrichtung der IR-DFWM Optik und wie ein Intracavity Großbildschirmen Detection System ausgerichtet.
Introduction
IR-DFWM bietet die Möglichkeit zur Messung der Konzentrationen der aktiven Spezies IR bis in den ppm Level1, mit einer räumlichen Auflösung. IR-DFWM hat mehrere Vorteile, die eine attraktive Technik für Verbrennungsforschung machen. IR-DFWM ist Rezi jedoch Flammen durch die Einfügung von Sonden drastisch verändert werden können. Es hat eine räumliche Auflösung, so dass Spezieskonzentrationen an verschiedenen Punkten in der Flamme Struktur gemessen werden können. Freuen Sie sich auf ein kohärentes Signal, das aus der thermischen Emission der Flamme isoliert werden kann. Darüber hinaus ist DFWM weniger empfindlich auf die Kollision Umwelt als z. B. laserinduzierte Fluoreszenz (LIF), die schwierig sein kann, in einer Flamme zu bestimmen. Die Technik bietet auch Zugriff auf Molekülsorten, IR aktiv, aber Mangel sichtbar oder in der Nähe von sichtbaren Übergänge, die verwendet werden können, um sie mit anderen Techniken zu messen.
Während DFWM eine Reihe von Vorteilen hat, wäre alternative Techniken wünschenswert, wenn eine oder mehrere der diese Vorteile nicht benötigt werden. Wenn räumlicher Auflösung nicht benötigt wird, werden Absorption-basierte Techniken einfacher und genauer. Wenn die fragliche Molekülsorten Übergänge in der sichtbar oder in der Nähe von IR-Region haben, möglicherweise LIF vorzuziehen, wie LIF räumlich aufgelöste Informationen aus einem Flugzeug, anstatt nur einen einzigen Punkt liefern kann. Unter den richtigen Bedingungen können nichtlineare Methoden wie DFWM und PS, auch für Single-Shot 2D Messungen2verwendet werden. Das Signal dieser nichtlinearen Methoden ist proportional zu der Sonde Strahlintensität in Würfel geschnitten, und wie die Pumpstrahl erweitert werden muss, um den Bereich der 2D Messung zu decken, dies erfordert entweder sehr hohen Pulsenergien oder eine Kombination der hohen Anfälligkeit der 3. Ordnung, hohe Konzentrationen und geringes Grundrauschen zu arbeiten. Daher kommt es meist auf die Molekülsorten ob dies möglich ist.
In einem direkten Wettbewerb mit DFWM, sind die anderen vier-Wellen-mischen-basierte, spektroskopischen Techniken: kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (Autos), laserinduzierte Gitter Spektroskopie (LIGS) und Polarisation-Spektroskopie (PS). CARS ist eine bewährte Technik zur Messung von Temperatur und großen Arten in Verbrennung Umgebungen. Allerdings mangelt es die Empfindlichkeit um kleinere Tierarten, zu erkennen, da die Nachweisgrenze in der Regel ca. 1 %2 ist. PS und DFWM haben zuvor gezeigt worden, um ähnliche Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen3; jedoch ergab das Signal-Rausch-Verhältnis von DFWM zu erhöhen, indem Sie Faktor 500 in Kombination mit Großbildschirmen Erkennung4, während PS hat nur eine Erhöhung der 64-fold5gezeigt. LIGS hat den Vorteil des Verursachens ein Gitter mit mid-IR-Licht, sondern misst die Wirkung durch die Brechung einer Test-Lasers dieses Gitter, und die Wellenlänge des Test-Lasers kann6frei gewählt werden. Die Wellenlänge des Test-Lasers kann daher, in den sichtbaren Bereich sein wo schnelle, geräuscharme Silizium-basierten Detektoren zur Verfügung stehen. Dies ist die gleichen Vorteile, die mit Großbildschirmen erreicht ist. LIGS den Nachteil haben, dass es sehr empfindlich auf Kollision2, was bedeutet, dass die Konzentration der großen Gas Arten bekannt sein muss für genaue Konzentration oder Temperaturmessungen mit LIGS. Wenn dieses Problem überwunden wird, hat LIGS eine ähnliche Empfindlichkeit gegenüber DFWM und PS bei atmosphärischem Druck3, aber wo die LIGS steigt mit zunehmendem Druck, signal das Signal von DFWM und PS erhöht bei niedrigeren drücken, wodurch die bevorzugte Technik hängt von der Druck-Umgebung.
Großbildschirmen Erkennung ist die Technik der Umwandlung ein Signal von langen Wellenlängen zu kürzeren mithilfe von Sum-Frequenz-Generation. Der Vorteil davon ist, dass die Detektoren im sichtbaren und infraroten Bereich geringere Geräuschentwicklung und eine höhere Empfindlichkeit als ihre Gegenstücke in der mid-IR-Region. Dies wurde zuerst vor fünf Jahrzehnten untersucht7, aber sah nur wenig Aufmerksamkeit und nutzen seitdem aufgrund der niedrigen Wirkungsgrade. Allerdings stieg mit den Fortschritten in den Produktionstechniken für periodisch gepolten Lithium Niobat (PPLN) und anderen Materialien mit hohen nichtlinearen Koeffizienten, sowie die zunehmende Verfügbarkeit von Hochleistungs-Laserdioden (LDs), die Technik hat angezogen Aufmerksamkeit in den letzten zehn Jahren, mit Anwendungen in Bereichen wie mid-IR-Single-Photon-Erkennung8,9,10,11, IR Lidar12,13und hyperspektrale Imaging-14,15 und Mikroskopie16. Der wesentliche Vorteil der Kombination von Großbildschirmen Erkennung mit IR-DFWM ist, dass die Phase Übereinstimmungsbedingung eine schmalen Winkel- und spektrale Akzeptanz-Band, die thermische Hintergrund, was die Erkennung der schwächere Signale stark diskriminiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Genauigkeit der Ausrichtung des gepulsten Laserstrahls ist entscheidend für die Empfindlichkeit der Methode. Besondere Vorsicht ist geboten, um sicherzustellen, dass die Balken von gleichem Abstand nach den BOXCARS Platten getrennt sind und, dass die Strahlen gleichermaßen rund um das Zentrum der L1 verteilt. Abweichung von diesem führt zu einem deutlichen Rückgang in Signalintensität und daher Sensibilität. Ebenso muss darauf geachtet werden, dass der Großbildschirmen Modul Hohlraum in der Grundmode ausgeführt wird und dass der Signalstrahl für eine optimale Überlappung mit Großbildschirmen Pumpe ausgerichtet ist. Das Signal kann leicht durch ein oder zwei Größenordnungen reduziert werden, wenn der Großbildschirmen Hohlraum im falschen Modus ausgeführt wird oder die Signal Strahl Überlappung mit dem Hohlraum-Feld suboptimal ist. Dazu gehören L3 millimetergenau platzieren, so dass der Signal Strahl Dreh-und Angelpunkt in der Mitte der PPLN-Kristall. Eine optimale Überlappung mit 80 W der Hohlraum macht ist eine 6 % Quantenausbeute der SFG-Stufe möglich. Mit dem Detektor und hier verwendete Wellenlänge beträgt die total Nachweiseffizienz 3 %. Die maximale Intracavity macht, erreicht werden kann, ist 120 W, aber 80 W zuverlässig erreicht werden. Der Umwandlungswirkungsgrad ist proportional zur Intracavity Potenz, sodass Signale aufgezeichnet mit einer unterschiedlichen Intracavity Leistung verglichen werden können, wenn die Intracavity macht aufgezeichnet wird.
Der wichtigste begrenzende Faktor für die Empfindlichkeit dieser Methode ist die Hintergrund-Streuung, die schwachen Signale ertrinkt. Um diese Streuung zu begrenzen, ist es wichtig, dass die Optik ist staubfrei gehalten, vor allem Linse L1. Auch muss darauf geachtet werden, dass die Position des Blocks Strahl die Hintergrundgeräusche minimiert. Der Strahl-Block sollte auf einer Xy-Bühne platziert werden, so dass es auf kontrollierte Weise in beiden horizontalen und vertikalen Ebene senkrecht zur Richtung der Balken bewegt werden kann.
Diskutiert hier Scannen erfolgt mit der PPLN bei einer konstanten Temperatur. Der Umwandlungswirkungsgrad ist proportional zur Sinc (ΔkL/2π)2, wo Δk ist das Missverhältnis von Phase und L ist die Länge des Kristalls. Die volle Breite halbe maximale (FWHM) dieser Funktion ist die Bandbreite des Detektors auf konstanter Temperatur PPLN Kristall. Die FWHM dieser Funktion ändert sich mit der Kristall-Temperatur und Wellenlänge aber ist in der Regel in der Größenordnung von 5 cm-1 in der mid-IR, für ein 20 mm langer Kristall. Die Ausnahme ist in der Nähe von 4.200 nm, wo die Breite18 erhöht.
Keine Skalierung Optik wurden in das Setup-Diagramm in Abbildung 2, da gibt es eine Reihe von Fragen zu prüfen, bevor entscheiden, was, wenn überhaupt, Skalierung ist erforderlich. Für das hier beschriebene Setup ist die gepulste Laserstrahl auf einen Durchmesser von ca. 2 mm kollimiert, bei L1 zu erreichen. Dies gibt eine breite Taille in den Mittelpunkt von rund 400 µm, mit einer Wellenlänge von 3 µm. Bei der Umsetzung dieser Technik ist es möglicherweise wünschenswert, die Brennweite des L1, entweder zu ändern, weil mehr Platz zwischen L1 und der Dreh-und Angelpunkt aus praktischen Gründen erforderlich ist oder das Messvolumen zu kürzen, durch die Erhöhung der Konvergenz-Winkel, die sein kann erfolgt, indem man eine kürzere Brennweite. In diesem Fall die breite Taille im Brennpunkt aufbewahrt werden, bei ca. 400 µm und kollimierten Strahl sollte entsprechend skaliert werden. Es sollte jedoch, berücksichtigt werden, dass der Strahldurchmesser ohne Erhöhung den Abstand der Balken die Streuung von den Strahl Block Kanten erhöhen wird. Die räumliche Auflösung ist durch die Überlappung der Pumpe Strahlen gegeben. Für das hier beschriebene Setup ist die Überlappung 6 mm lang, so dass das Messvolumen ein Zylinder 6 mm lang, mit einem Radius von 0,4 mm.
Um quasi-phase-matching im PPLN Kristall zu erreichen, müssen das mid-IR-Signal und Intracavity Bereich des Hohlraumes Großbildschirmen außerordentlich im PPLN Kristall polarisiert werden. Die Großbildschirmen Kavität sollte gebaut werden, damit die Polarisation des Feldes Intracavity automatisch richtig ist. Wenn die mid-IR-Laser nicht bereits dadurch übereinstimmt, kann ein Waveplate am Ausgang, um die Polarisation zu machen mid-IR-Laser eingefügt werden.
IR-DFWM erfordert relativ hochenergetische Impulse, 1-4 mJ, kombiniert mit einem engen genug Laser Linewidth um molekulare Linien zu beheben, die in der Größenordnung von 0,1 cm-1sind. Laser, die diesen Kriterien in der Regel entsprechen haben geringe Wiederholungsraten und da Datenerfassung mit DFWM in der Regel erfolgt durch Scannen der Wellenlänge des Lasers, dies schränkt Messungen Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Methode am ehesten angewendet wird, um Messungen, wo das Thema nicht im Laufe der Zeit ändert, obwohl es auch auf zeitlich aufgelöste Messungen17angewendet wurde. Eine weitere Einschränkung ist, dass wegen der Empfindlichkeit gegenüber Streulicht, Partikel in oder in der Nähe das Messvolumen Streuung Ereignisse schaffen, die völlig das Signal17ertrinken. Die Phase Übereinstimmungsbedingung Großbildschirmen Prozesses ist spektral schmal, der Lärm von der thermischen Strahlung zu beseitigen hilft, aber es macht Scans über breite Wellenlängenbereiche mehr Zeit in Anspruch wie die PPLN Temperatur optimiert werden muss, halten die Signal-Wellenlänge Phase abgestimmt.
Zukünftige Verwendung von IR-DFWM sind für den Nachweis von NH3 in Flammen, oder weiterhin die Arbeit mit HCN in praktischer Umgebungen geplant. Das naheliegendste Mittel zur Verbesserung der Methode ist, den Hintergrund von Streulicht weiter zu reduzieren. Dies könnte mit räumlichen Filterung von den Signalstrahl, nachdem das Signal von L2 gesammelt werden.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Finanzierung wurde von den Autoren im Rahmen von Horizont 2020 der Europäischen Union wird sehr geschätzt. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Mid TECH Marie Curie innovative Ausbildung Netzwerks [H2020-MSCA-ITN-2014-642661] durchgeführt.
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).
