JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

אינפרא-אדום מנוונת ארבעה גלים ערבוב עם זיהוי Upconversion עבור גז כמותיים חישה

Published: March 22, 2019
doi:
10.3791/59040
,
1Combustion Physics, Department of Physics,Lund University

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לבצע ספקטרוסקופיה גז רגיש, במרחב נפתרה באזור אמצע אינפרא-אדום, באמצעות ארבעה גלים מנוונת ערבוב בשילוב עם זיהוי upconversion.

Abstract

אנו מציגים פרוטוקול לביצוע ספקטרוסקופיה גז באמצעות אינפרא אדום מנוונת ארבע ערבוב של גלים (IR-DFWM), איתור כמותית של גז מינים בטווח עמודים לדקה ליחיד-אחוזים. המטרה העיקרית של השיטה היא זיהוי במרחב נפתרה נמוך-ריכוז מינים, אשר יש אין מעברים בטווח גלוי או בקרבת מקום ל- IR ספקטרלי שיכול לשמש לצורך זיהוי. IR-DFWM היא שיטה nonintrusive, שזה יתרון גדול במחקר בעירה, כמו הוספת בדיקה לתוך להבה לשנות אותו באופן דרסטי. IR-DFWM בשילוב עם זיהוי upconversion. ערכה זו זיהוי משתמש בתדר סכום הדור כדי להעביר את אות IR-DFWM אמצע-IR האזור ליד-IR, כדי לנצל מאפייני הרעש מעולה של גלאים מבוססי סיליקון. תהליך זה דוחה גם את רוב קרינת הרקע תרמי. המוקד של פרוטוקול המובאת כאן היא על היישור הנכון של אופטיקה IR-DFWM ועל ליישר את מערכת לזיהוי upconversion intracavity.

Introduction

IR-DFWM מספק את היכולת של מדידת ריכוזים של IR מינים הפעילים עד ppm ברמה1, עם רזולוציה מרחבית. IR-DFWM יש מספר יתרונות שהופכים אותו טכניקה אטרקטיבי למחקר בעירה. הלהבות ניתן לשנות באופן דרסטי על-ידי ההוספה של הגששים, אבל IR-DFWM nonintrusive. יש לו רזולוציה מרחבית, כך ניתן למדוד הריכוזים של מינים בנקודות שונות במבנה להבה. הוא מספק אות קוהרנטי, אשר יכול להיות מבודד פליטת חום הלהבה. בנוסף, DFWM הוא פחות רגישים זריחה הסביבה מאשר, למשל, לייזר המושרה התנגשות (LIF), אשר יכול להיות קשה לקבוע ב להבה. הטכניקה גם מספק גישה מולקולרית מינים הנמצאים IR הפעיל אך חוסר גלוי או ליד הגלוי מעברים יכול לשמש כדי למדוד אותם עם טכניקות טיפול נוספות.

בעוד DFWM יש מספר יתרונות, טכניקות חלופיות, עדיף אם אחד או יותר מן היתרונות הללו לא נחוצים. אם רזולוציה מרחבית אינה דרושה, טכניקות מבוססות הקליטה תהיה פשוטה יותר ומדויק יותר. אם המין מולקולרית הנדון יש מעברים באזור גלוי או בקרבת מקום ל- IR, LIF עדיף להשתמש, כפי LIF יכול לספק מידע במרחב נפתרה מן המטוס ולא רק נקודה אחת. בתנאים המתאימים, שיטות לא-ליניאריות, כגון DFWM ו- PS, יכול לשמש גם עבור מדידות 2D קליע בודד2. האות השיטות האלה לא לינארית פרופורציונליים לעוצמת קרן בדיקה חתוכה לקוביות, ודורש כמורחבות קרן משאבת חייב להיות כך שתכסה את האזור המדידה 2D, זה דופק מאוד גבוה אנרגיות או שילוב של רגישות גבוהה מסדר שלישי, ריכוזים גבוהים, רעש רקע נמוכה לעבודה. לכן, זה בעיקר תלוי המין מולקולרית אם זה אפשרי.

תחרות ישירה עם DFWM, יש ארבע-ערבוב-מבוסס גל ספקטרוסקופיות טכניקות אחרות: ספקטרוסקופיית ראמאן מגובשת נגד סטוקס (מכוניות), סריג לייזר המושרה ספקטרוסקופיה (LIGS), קיטוב ספקטרוסקופיה (PS). מכוניות הוא טכניקה ומבוססת למדידת טמפרטורה, המינים העיקריים בסביבות בעירה. עם זאת, היא חסרה את הרגישות לזהות מינים קטנים, כמו המגבלה זיהוי הוא בדרך כלל כ 1%2. נ. ב, DFWM בעבר הוכחו יש רגישות דומה, זיהוי מגביל3; עם זאת, יחס אות לרעש של DFWM הוכח להגדיל על ידי גורם 500 בשילוב עם לזיהוי upconversion4, בעוד PS הראו רק עלייה 64-fold5. LIGS יש את היתרון של גרימת על פומפיה, באמצעות אור באמצע-IR, אך מודד את האפקט על ידי השבירה של לייזר בדיקה של הסורג הזה, אורך הגל של הלייזר המכשיר הזה ניתן לבחור באופן חופשי6. אורך הגל של הלייזר המכשיר, לכן ניתן באזור גלוי, בו זמינים מבוססי סיליקון גלאי מהיר, רעש נמוכה. . זה היתרון אותו כי מושגת באמצעות upconversion… LIGS יש החיסרון הוא מאוד רגיש התנגשות2, מה שאומר כי ריכוז גז מרכזי מינים חייב להיות ידוע ריכוז מדויק או מדידות חום עם LIGS. אם התגברות על נושא זה, LIGS יש רגישות דומה הן DFWM והן PS-לחץ אטמוספירי3, אבל איפה LIGS האות עולה עם הגדלת הלחץ, האיתות DFWM ו- PS מגדילה ב לחצים נמוכים יותר, מה שאומר ןיגב טכניקת יהיה תלוי בלחץ הסביבה.

לזיהוי Upconversion היא הטכניקה של המרת אות מ אורכי גל ארוכים אלה שורטר באמצעות תדר סכום הדור. היתרון של זה הוא גלאי בטווח גלוי או אינפרא אדום שיש רעש נמוכה, רגישות גבוהה יותר מאשר עמיתיהם באזור אמצע-IR. זה נחקר לראשונה לפני חמישה עשורים7, אבל ראיתי מעט מאוד תשומת לב ולהשתמש מאז, בשל היעילות המרה נמוך. עם זאת, עם ההתקדמות טכניקות הייצור מעת לעת לעברם ליתיום niobate (PPLN) וחומרים אחרים עם גבוהה לא לינארית מקדמים, כמו גם שהזמינות מוגברת של דיודות לייזר ובעוצמת (LDs), הטכניקה משכה גדל תשומת לב בעשור האחרון, עם יישומים מכסה אזורים כגון זיהוי פוטון בודד באמצע-IR8,9,10,11, IR lidar12,13היפרספקטרליות הדמיה14,15 ומיקרוסקופיה16. היתרון העיקרי של שילוב לזיהוי upconversion עם IR-DFWM היא התנאי שלב-התאמה יש רצועה צרה קבלה זוויתי, ספקטרלי, אשר מפלה כבדה רקע תרמי, המאפשר זיהוי אותות חלשים יותר.

Protocol

ההגדרה של הגלאי upconversion מוצג איור 1; מראות, עדשות או אחרים אופטיקה שאוזכרו הפרוטוקול מזוהים כאן או דיאגרמה של ההתקנה IR-DFWM באיור 2. המקטע פרוטוקול עוסק בעיקר יישור לכיוונון אופטי המשמש עבור שיטה זו, ניתן להשהות את התהליך בשלב כלשהו על-ידי כיבוי כל הציוד פועל. כל המראות מותאמות באופן ידני. התוכנה המשמש כאן כדי לשלוט על המצלמה, LD נמסרה יחד עם גלאי upconversion. השימוש בתוכנה מתואר בסוף הפרוטוקול. 1. Upconversion מקום המראה קצה של חלל יישור, אההה, כמצוין באיור1. הסר את הקריסטל PPLN מן ההר קריסטל. במקום כרטיס רגיש IR (רגיש-1064 ננומטר) במיקום A, ראה איור 1. הפעל את הזווית של ההר קנטית מחזיק אה למצב קיצוני בכיוון האופקי והאנכי בשני. לאחר מכן, הפעל את תעודת הזהות-כ 1/3 של הפלט המרבית. יישר את חלל יישור כדלקמן. לשנות את הזווית של אה +0.2 ° בכיוון אופקי. לטאטא אנכי זווית אה קיצוני אחד לשני, תוך כדי צפייה כרטיס ה-IR עבור קרן מן החלל יישור. חזור על שלבים 1.5.1 ו- 1.5.2 עד חלל הבטן מתחילה lasing. כאשר חלל היישור הוא lasing, לעבור בין לכיוונון אה עבור כוח עליון והפחתת הכונן LD הנוכחי. תעודת הזהות היא הוגדרו לנהוג על חלל מלא, שבו יש הרבה הפסדים גבוהים יותר מאשר חלל יישור. לשמור על כוחה איפה קרן עוזב אה גלויים בקלות עם הכרטיס IR אך לא יותר מכך. הסר את הכרטיס IR. להתאים את הזווית של U2, אז קרן יישור זה משתקף מרכז U3 (איור 1).הערה: הקרן מן החלל יישור צריך להכות U2 במרכז. להתאים את הזווית של U3 ולכן הקרן ממשיכה U4, U5, ו- U6 ניבטת U6 כדי U7. הקרן חייבת לעבור דרך ההר PPLN בגובה של האמצע של הערוצים של הגביש PPLN, אותו יש להזין את הקריסטל בניצב למשטח. השתמש U2 כדי לתקן את הגובה ואת זווית, תוך התאמת U3 לשמור על הקרן רמת ממורכז דרך החורים x ו- y. להסיר את חלון גרמניום ולמקם את הכרטיס IR מאחורי U7, כך קרן אינפרא-אדום עוזב את החלל יכה את הכרטיס, והוא ידי קרינה פלואורסצנטית יהיו גלויים בפני האדם יישור את חלל הבטן.הערה: קרן יישור עכשיו תחלוף PPLN הר ופגע U7. להתאים את הזווית של U7, כך בהשתקפות U7 עובר חזרה לאורך נתיב קרן יישור. תוך התאמת זווית U7, watch עבור קרן בכרטיס IR. כאשר נתפסת קרן, להתאים את הזווית של U7 כדי למקסם את הפלט. הר של PPLN בתוך ההר. ודא כי ההר ממוקם כך הקורה עובר באחד הערוצים בגביש. להמשיך משנה (שלב 1.13.1, 1.13.2 או 1.13.3) התאמת המצב הנוכחי. אם קרן IR עדיין גלוי יציאה U7, להתאים U7 כדי למקסם את הפלט, ולהמשיך לשלב הבא. אם קרן IR יציאה U7 אינה גלויה, להגדיל את תעודת הזהות הנוכחית כדי 1/3 של הפלט המרבית, ובדוק אם ניתן לראות את קרן IR. אם קרן גלוי, עבור לשלב 1.13.1; אחרת, עבור לשלב 1.13.3. להפחית את תעודת הזהות הנוכחית הרמה הקודמת, מעקב קרן מדריך כדי לראות אם זה עובר PPLN במרכז באחד הערוצים. אם לא, חזור מ שלב 1.7, אבל עם PPLN בתוך ההר. לבטל את תעודת הזהות, להסיר UH, לצרף את המסנן LP750 במיקום B (ראה איור 1). מד הכוח מאחורי U7 אך השארת מקום לבדיקת הקרן עם כרטיס IR. לאחר מכן, הפעל את תעודת הזהות בעוצמה מלאה. אם אין אות נתפסת על מד צריכת החשמל, לבצע שינויים זווית קטנה U7, תוך כדי צפייה על אות מד הכוח. אם אות הוא מצא, המשך לשלב הבא; אחרת, לחזור לשלב 1.1. למטב את היישור חלל על ידי התאמת הזוויות של U2 ו U7 להגדיל את הכוח, תוך שימוש בכרטיס IR ובעוצמת לבדוק כי החלל פועל במצב גאוסיאנית הבסיסית.הערה: בזמן זה אולי אפשרי להשיג כוח עליון במצב סדר גבוהה יותר, זה חיוני עבור יעילות המרה שבו הלייזר פועל במצב היסוד. אם החלל אינו פועל במצב היסוד, לנהל במצב סדר גבוהה יותר איפה למספר אונות גלויים בכרטיס IR. להפוך U7 כך האונות מובאים קרוב יחד על כרטיס ה-IR, עד שהם למזג. להקליט את הפלט כוח-U7. משתמש זה והעברת U7 לחישוב השדה intracavity. השווה את הערך כ עקומת כיול איור 6. כאשר החלל מוטבה, הסר את המסנן LP750 וצרף את חלון גרמניום. 2. IR-DFWM יישור הערה: ראה איור 2 עבור דיאגרמה של ההתקנה DFWM. יישר את קרן הלייזר הנה (קרן מדריך) עם M3 ו- M4 להכות L1 במרכז, הולך אופקית של M4 L1. הוספת לוחית קרון מטען 1 בזווית של 45 מעלות על הקורה (אנכיות) ולהבטיח שהקרן עוברת, הפקת פלט שתי הקורות. להוסיף בצלחת קרון מטען 2 בזווית של 45° כדי הקורות (בכיוון אופקי) ולהבטיח שהקרן עובר, הפקת פלט ארבע קורות. התאם את הזוויות של הלוחות כך הקורות ירווחו כמו הפינות בכיכר. התאם את המיקום של L1 עד הקורות ירווחו באופן שווה סביב המרכז של העדשה. השאר הקרן אות, אשר יופקו לאורך הנתיב של הקורה תיחסם על-ידי קרן הרחוב, החסימה לעת עתה, אז זה יכול לשמש כדי ליישר את השאר של ההתקנה. המקום הקשתית אז זה חוסם את המשאבה שלוש קורות אלא מאפשר הקרן הרביעית, הקרן אות, לעבור. ליישר L2 כך קרן אות היא ממוקדת. זה חייב להעשות בעזרת אורכי מוקד את הגל לייזר פעמו ולא על ידי בדיקה ויזואלית, כמו אורכי מוקד יהיה שונה עבור אורך הגל של הקרן מדריך, את אמצע-IR. המקום M5 ו- M6 כך קרן מדריך ממורכזת על החלון קלט של גלאי upconversion ו מאונך החלון קלט. מקום L3 אחד אורך מוקד אופטי מרחק ממרכז PPLN. לקחת בחשבון את השבירה של חלון גרמניום, המראה חלל PPLN עצמו. להגדיר את המודול upconversion והפעל זאת (ראו סעיף 1). הסר את חלון גרמניום של הגלאי upconversion. זה יאפשר קרן 1064 ליציאה המודול upconversion. חופפים קרן הלייזר הנה ואת הקרן 1064 מן הגלאי upconversion באמצעות M6 להעביר קרן 1064 אל הקורה האות כך שיחפפו ב L2, ועל -ידי שימוש M5 כדי להזיז את קרן מדריך על הקורה 1064 ב L3. להחליף בין שתי מראות עד קרן מדריך ובצע 1064 באותו הנתיב. לחבר מחדש את חלון גרמניום. הכנס מספר מסננים ND הנתיב בים, מול גלאי upconversion. . שמור על עצמך לא לתת של קרן unattenuated הלייזר פעמו לתוך הגלאי upconversion, כמו אנרגיה גבוה יגרום נזק סביר הגלאי. להפעיל את לייזר פעמו וודאו כי הוא פועל ויציב אנרגיה המתאים לפי הדופק. חופפים את לייזר פעמו ו קרן מדריך כדלקמן. להתאים את הזווית של M1 עד לייזר פעמו חופף את קרן מדריך על הכיוון קרן (M2). להתאים את הזווית של M2 כך לייזר פעמו משתקף בכיוון התפשטות של קרן מדריך. בדוק הקורות חופפות את הכיוון? קרן, במרחקים של 1 מ’, 2 מ’ ו- 3 מ’. למצוא נקודת המוקד של הקורות אחרי L1. מקם את זרימת הגז או להבה כדי למדוד כך נקודת המדידה היא על נקודת המוקד של הקורות. לחבר את לחצן האות במוקש של לייזר פעמו הגלאי upconversion לשער זמן האיתור. אם הזמן עיכוב ושער זמן לא ידועים, להתחיל עם משך זמן של השער זמן, לצמצם את מתי נמצא את האות. חפש את ההתקנה, במיוחד הלוחות קרונות, מהשתקפויות שבא ולהבטיח שהם חסומים. למטב את היישור של קרן האות בתוך הגלאי upconversion כדלקמן. אם אות הוא גלוי על הגלאי, להתאים M5 M6 כדי למקסם את האות. אם אין אות גלוי על הגלאי, להפחית את ND סינון לפי סדר גודל אחד. חזור עד אות נתפסת. אם האות הגלאי זה ספוג להגדיל את ND סינון לפי סדר גודל אחד. חזור עד האות, כבר לא רווי. לעבור שלבים 2.19.1-2.19.3 עד האות כבר לא יכול להיות מוגברת על ידי התאמת M5 ו- M6. המקום ברחוב קרן כך שזה חוסם את קרן אות, כמצוין באיור2. לאחר מכן, הסר את המסננים ND. להתאים את המיקום של הרחוב קרן להפחית כל פיזור (קולות רקע) ראה את הגלאי. . שמור על עצמך לא כדי לבטל את חסימת הקרן בטעות ולחשוף את גלאי להפנות אור לייזר פעמו הכינו את זרימת הגז או להבה שברצונך למדוד. לאחר מכן, סריקת לייזר פעמו על פני טווח אורך הגל של עניין, בזמן הקלטת את האות הגלאי. פעולה זו תיצור קשת התאמת הרכב גז-החפיפה של הקורות. 3. לייזר דיודה תוכנה הפעל את התוכנית LabVIEW AuroraOne control.vi. לחץ על לחצן לייזר טק מאפשרות למיקום על ולחץ את RW/שנ בטיחות לחצן ביטול. הגדר את הלייזר הנוכחי על-ידי הזנת הערך הרצוי ב- microwatts בשדה ת א קבע נקודה . הזנת ערך חדש כאשר הלייזר פועל תותאם הנוכחי. לחץ על הלחצן לאפשר TA למיקום על להפוך את דיודת לייזר הנוכחי על. כבה את דיודת לייזר על-ידי לחיצה על האפשרות TA לאפשר את לייזר טק מאפשרות למיקומים מחוץ . 4. פיתוח מערכות הדמיה חתימות הפעל את התוכנית LabVIEW UpconversionControl.vi. תחת לשונית הגדרות, הגדר את מהירות תריס 8 µs על-ידי הקלדת הערך בשדה הנקרא זמן החשיפה (שניות). תחת לשונית הגדרות, להגדיר את סוג תריס הגלובלי בשדה הנקרא מזהי תריס. תחת לשונית DBG, להגדיר את סוג ההדק Lo_Hi בשטח מזהים על ההדק . תחת הלשונית ” DBG2″, הגדרת ההשהיה המפעיל בשטח שכותרתו עיכוב ההדק מזהים (µs). זה יהיה תלוי העיכוב בין הדופק ההדק הדופק לייזר הלייזר. תחת לשונית הגדרות, הגדר את הגדר את x ו מהגב שלך קבע עד 480 פיקסלים, את רוחב וגובה 96 פיקסלים. תחת לשונית הגדרות, להגדיר את קצב המסגרות 0 בשדה Framerate ; פעולה זו מגדירה את המצלמה לקחת מסגרת אחת לכל לחצן האות במוקש. הפעל את המצלמה על-ידי לחיצה על כפתור הרכישה להתחיל . כאשר אות נכנס הגלאי upconversion, האות יהיה גלוי כמו כתם בהיר באמצע התמונה המוצג מימין בתוכנית LabVIEW. השתמש בפונקציה מלבני בסרגל השמאלי ליד התמונה כדי לצייר מלבן 6 x 6 פיקסלים מסביב האות. להציג את עוצמת הממוצע של הפיקסלים שנבחר כפונקציה של הזמן תחת הכרטיסייה היסטוריה . במידת הצורך, ניתן לפנות את הגרף על-ידי ימנית ובחירה לנקות. ללחוץ על כפתור הרכישה להפסיק לעצור את רכישת תמונות חדשות מתוך המצלמה. לייצא את הנתונים על-ידי לחיצה ימנית על העלילה בעוצמה, בחר להעתיק נתונים ללוחולאחר להדביק את הנתונים בתוך קובץ. txt . לבטל את התוכנית המצלמה ושליטה על-ידי לחיצה על כפתור כיבוי .

Representative Results

איור 3 מראה את האות של ריכוזים שונים של מימן ציאנידי N2, בממוצע 3 סריקות של כל הריכוז. התערובת הוכן על ידי ערבוב 300 עמודים לדקה מימן ציאנידי N2 עם2 N טהור באמצעות זרימת מסה בקרי חימום זה ק’ 843 הפסגה המרכזית הוא הקו P(20) ν1 הרטט הלהקה של מימן ציאנידי. שיבוץ באיור 3 מציגה את הערך שיא של האות מהקו הזה בכל ריכוז, עם פולינום מדרגה שנייה מתאים. התלות ריכוז של האות יכול להיות מתואר על ידי S = ax2 + b, כאשר S הוא האות ו ו- b הם התאמת קבועים17. ריכוז מוחלט מידות להבה דורשים מידה כיול כפי שמוצג להלן, בטמפרטורה ידועים, כדי לקבוע קבוע . גם עליך ניתן למדוד את הטמפרטורה באמצעי מדידה ב הלהבה כפי מתמדת קשקשים עם הטמפרטורה; דיון מלא זה כבר פורסם17. התקופה poling המשמש מדידה זו היתה מיקרומטר 21.5, עם טמפרטורת קריסטל 104.5 ° C. איור 4 מציג נתונים גולמיים של להבה מעורבבים מראש. זה מראה חמש סריקות רצופות מעל טווח 3229.5-3232 ס מ-1, כל סריקה לוקח כ 65 s. אלה כיסוי שלוש קבוצות של waterlines, המשמש עבור מדידות טמפרטורה. באופן אידיאלי, כאשר עובדים עם מערכת יציבה, כל סריקה על פני הטווח אותו צריכים להיות זהים, כמו ריכוז, לחץ, טמפרטורה צריך להיות ללא שינוי. האינטנסיביות של השינויים כאן ראה קווים באופן דרסטי של סריקה כדי לסרוק, וזה כי במצב פולס לייזר של אנרגיה אינה יציבה סריקה וסריקה. תוצאות כאלה ניתנים לשימוש אלא אם האנרגיה הדופק לייזר הוקלט והוא יכול לשמש כדי למיין מדידות עם אנרגיה מספקת הדופק לייזר מכל השאר. התקופה poling המשמש מדידה זו היתה מיקרומטר 21.5, עם קריסטל טמפרטורת של 123 מעלות צלזיוס. איור 4, פיזור רקע לא ראיתי מכיוון מסנן ND2 שימש כדי להפחית את האות, כדי להימנע להרוות את הגלאי. עבור אותות חלשים יותר, התברר כי פיזור הרקע הוא הסדר pJ 5 לפי הדופק, התואם לאות שנוצר מן הקו P(20) ν1 הרטט הלהקה של 100 עמודים לדקה מימן ציאנידי בטמפרטורת החדר. איור 1: תרשים של הגלאי upconversion. U1-U7 ו אה הם מראות, מאוד רעיוני (HR)-מצופה עבור 1064 ננומטר. כל המראות הם מטוסים, חוץ U3, ובו ברדיוס של 200 מ מ של עקמומיות. מראות U1-U5 היו עשויים להיות כמסך-אורך הגל של דיודות לייזר, על מנת להבטיח כי האור LD לא מגיע הגלאי. U6 הוא כמסך לאות upconverted, 650-1,050 ננומטר. U7 הוא כמסך לאות אמצע-IR. הוא 95% רפלקטיביים 1,064 nm ו 5% כמסך. לאורך נתיב של U1 U3 הוא 156 מ”מ, ו לאורך נתיב של U3 U7 הוא 202 מ מ. L4 ו- L5 הן אכרומטית עדשות עם 60 מ מ ו- 75 מ מ אורכי מוקד, בהתאמה. שניהם נמצאים שקופה עבור 650-1,050 ננומטר. המצלמה בשימוש כמו גלאי ממוקם 75 מ מ L5. השדה ‘ חלל ‘ אנכית מקוטב. PPLN המשמש כאן יש poling תקופות של 21.0 מיקרומטר, 21.5 מיקרומטר, 22.0 מיקרומטר, 22.5 מ מ 23.0 מיקרומטר, והוא אורך הגביש 20 מ מ. הגלאי גלויים ולא אינפרא אדום המשמש היא מצלמה UI-5240CP-ניר-GL ממערכות פיתוח מזהי הדמיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 2: דיאגרמה של ההתקנה DFWM. M1 הוא מבודד מראה מאוד רעיוני (HR) אורך הגל של הלייזר פעמו. M2 היא מראה מבודד מצופה להיות HR באורך הגל של לייזר פעמו ו כמסך עבור הקרן הנה מדריך M3-M6 הם מוגנים מראות זהב. B.C.1 B.C.2 צלחות קרון מטען 1 ו- 2 בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד. L1 הוא אורך מוקד 500 מ מ CaF2 עדשות בקוטר 5.1 ס מ. L2 הוא אורך מוקד 500 מ מ CaF2 עדשות בקוטר של 2.54 ס מ. L3 100 מ מ אורך מוקד העדשה CaF2 . לייזר פעמו אנכית מקוטב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 3 : אות ריכוזים שונים של מימן ציאנידי N2. הפסגה המרכזית הוא הקו P(20) ν1 הרטט הלהקה של מימן ציאנידי. שיבוץ מציגה את האות שיא של התרכזות כל (יהלום סמנים), עם פולינום מסדר שני מתאים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 4 : חמש רצופות סריקות של ca. 65 s במשך הסריקה, נעשה להבה מעורבבים מראש לכל. הלייזר שנסרק מעל טווח 3229.5-3232 ס מ-1. הפסגות לראות כאן הם האיתות מספר אוספים של H2O מעבר קווי. האות צומצם עם ND1 של מסנן ND0.6, כדי להימנע להרוות את הגלאי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 5: A קרונות צלחת ראיתי מהצד. זה גוש חומר שקוף. בצד קלט, זה מצופה ציפוי מבטל לשמור עליהם antireflective חצי של פני השטח. קרן הלייזר נכנס כאן ומגיעה אל הצד פלט, שבו חצי משטח מצופה לשידור 50%. האור המשתקף באופן פנימי הצלחת משתקף ואז לחלק של הצד קלט מצופה עבור השתקפות גבוהה, משתקף דרך המחצית העליונה של הצד פלט. זה מתפצל קרן אחת שתי קורות מקבילות. ניתן להשיג את אותו אפקט עם מפצל קרן, מראה, אבל במפצל קרן שיהיה קצת השתקפות מפני המשטח האחורי, אשר יכול להגביר את רעשי הרקע. גם, הצלחת קרונות דורש ללא יישור כדי להבטיח קורות שתי המיוצר מקבילים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 6: Intracavity הכוח כפונקציה של דיודת לייזר משאבת הנוכחי עבור המודול upconversion. כל נקודה הוא ממוצע של כוח נמדד מאמצע שלושה היישורים נפרדים של החלל ולציין קווי השגיאה ההתפשטות בין היישורים נפרדים. הסטייה מן ההתנהגות לייזר אידיאלי נגרמת על ידי מהשפעות תרמיות הקריסטל לייזר, הגביש PPLN. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

הדיוק של היישור של קרן לייזר פעמו חיוני הרגישות של השיטה. טיפול מיוחד יש לנקוט כדי להבטיח הקורות מופרדות במרחק שווה אחרי הלוחות קרונות הקורות הן לא פחות מרווח סביב מרכז של L1. סטייה זה יוביל ירידה משמעותית ב עוצמת אות ו, לכן, רגישות. כמו כן, חייבים להקפיד כי חלל מודול upconversion פועל במצב היסוד, קרן אות מיושר עבור חפיפה אופטימלית עם המשאבה upconversion. האות יכול בקלות להיות מופחת על ידי אחד או שניים סדרי גודל אם חלל upconversion פועל במצב רע או אות קרן החפיפה עם השדה חלל היא שיוצרת. זה כולל הצבת L3 בדייקנות מילימטר כך האות קרן מוקד העניין הוא באמצע הגביש PPLN. עם חפיפה אופטימלית, 80 W של חלל כוח, נצילות קוונטית 6% של השלב שרפ”ג אפשרי. עם גלאי, אורך הגל המשמש כאן, היעילות הכוללת איתור הוא 3%. הכוח המרבי intracavity כי ניתן להגיע הוא 120 W, אבל 80 W יכולה להיות מושגת בצורה אמינה. יעילות ההמרה הוא יחסי הכוח intracavity, כדי שניתן יהיה להשוות אותות הקליט עם כוח intracavity שונה אם הכוח intracavity נרשם.

הגורם המגביל המרכזי על הרגישות של שיטה זו הוא פיזור רקע, אשר טובע אותות חלשים. כדי להגביל את הפיזור, זה קריטי כי אופטיקה הם כל הזמן ללא אבק, במיוחד עדשה L1. חייבים גם להקפיד כי המיקום של הרחוב קרן ממזער את רעשי הרקע. הרחוב קרן יוצבו על xy-במה כך ניתן להזיז בצורה מבוקרת במישור שני אופקיים ואנכיים, בניצב לכיוון של הקורות.

סריקה שנדונו כאן נעשה עם PPLN בטמפרטורה קבועה. יעילות ההמרה הוא יחסי sinc (ΔkL/2π)2, כאשר Δk הוא שלב ההתאמה ו- L הוא האורך קריסטל. רוחב חצי מקסימום (FWHM) של פונקציה זו הוא רוחב הפס של הגלאי בטמפרטורה קבועה קריסטל PPLN. FWHM של פונקציה זו משתנה עם טמפרטורה קריסטל, אורך גל, אך בדרך כלל גודל 5 ס מ-1 ב אמצע-IR, עבור גביש ארוך 20 מ מ. החריג הוא ליד 4,200 nm, שבו הרוחב מגבירה במידה רבה18.

אופטיקה קנה מידה לא נכללו בתרשים ההתקנה איור 2, כי יש מספר נושאים שעליך לשקול לפני שתחליט מה, אם בכלל, שינוי גודל נדרש. עבור ההתקנה שתואר כאן, קרן לייזר פעמו ממוקדת קרן בקוטר של ca. 2 מ מ, כשמגיעים L1. זה נותן כחצי קרן-נקודת המוקד של-400 מיקרומטר, באמצעות אורך גל של 3 מיקרומטר. בעת יישום הטכניקה הזו, זה יכול להיות רצוי לשנות את אורך המוקד של L1, גם כי נדרש שטח נוסף בין L1 מוקד מסיבות מעשיות, או לקצר את אמצעי המדידה על-ידי הגדלת הזוויות התכנסות, אשר יכול להיות נעשה על ידי שימוש באורך מוקד קצר יותר. במקרה זה, המותניים קרן-מוקד ולמורה-ca. 400 מיקרומטר, קרן מקבילות יותאם כדי להתאים. זה צריך, עם זאת, יש לקחת בחשבון כי מרחיבים את הקורה מבלי להגדיל את המרווח של הקורות יהיה להגדיל את הפיזור מהשוליים בלוק קרן. הרזולוציה המרחבית ניתנת על ידי החפיפה של הקורות המשאבה. עבור ההתקנה שתואר כאן, החפיפה הוא 6 מ מ אורך, כך שאמצעי האחסון מדידה גליל ארוך, 6 מ מ עם רדיוס של 0.4 מ מ.

כדי להשיג לחיים הכאילו-שלבי התאמת בקריסטל PPLN, אות אמצע-IR והן את השדה intracavity של חלל upconversion חייב להיות בצורה יוצאת דופן מקוטב בקריסטל PPLN. חלל upconversion צריכה להיבנות כך קיטוב של השדה intracavity הוא הנכון באופן אוטומטי. אם הלייזר באמצע-IR אינה כבר מתאימה לזה, לוחית גל יכול להיות מוכנס על הלייזר באמצע-IR פלט כדי להפעיל את קיטוב.

IR-DFWM דורש אנרגיה גבוהה יחסית פולסים, 1-4 mJ, בשילוב עם צר מספיק linewidth לייזר כדי לפתור קווים מולקולרית, אשר גודל 0.1 ס מ-1. לייזרים עומדים בקריטריונים האלה בדרך כלל יש בשיעור חזרות נמוך, כמו רכישת נתונים עם DFWM נעשית בדרך כלל על-ידי סריקת אורך הגל של הלייזר, זה מגביל מהירות מדידות. משמעות הדבר היא שיטת הנגישה ביותר חלה על המידות שבו הסובייקט אינו משתנה לאורך זמן, למרות גם שהוחלה מדידות חנותם נפתרה17. מגבלה נוספת היא כי בשל הרגישות לאור פזורים, חלקיקים או בסמוך האחסון מדידה יוצר אירועים פיזור לגמרי להטביע אות ה-17. התנאי התאם-שלב של התהליך upconversion הוא spectrally צר, אשר מסייעת להיפטר רעש קרינה תרמית רקע. אבל זה הופך סריקות מעל הגל רחבה טווחים אורכת זמן רב כמו הטמפרטורה PPLN לכווננו לשמור גל אות שלב מתאימים.

שימושים עתידיים IR-DFWM מתוכננים עבור הגילוי של NH3 בלהבות, או להמשיך את העבודה עם מימן ציאנידי בסביבות מעשי יותר. האמצעי הבולט ביותר לשיפור השיטה היא לצמצם עוד יותר את הרקע של אור מפוזר. זה יכול להיעשות באמצעות סינון מרחבי של הקורה אות אחרי האות נאסף על ידי L2.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המימון שהתקבלו על-ידי המחברים בתוך הטווח של אופק 2020 על ידי האיחוד האירופי הוא להערכה רבה. עבודה זו נערכה במסגרת הרשת אימון חדשנית טק אמצע מארי קירי [H2020-MSCA-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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Sahlberg, A. -. L. Non-linear mid-infrared laser techniques for combustion diagnostics. Lund University. , (2016).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Midwinter, J. E. Image conversion from 1.6 µ to the visible in lithium niobate. Applied Physics Letters. 12 (3), 68 (1968).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Mancinelli, M., et al. Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature. Nature Communications. 8 (2), 1-8 (2017).
  11. 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).
  12. Meng, L., et al. Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4. Optics Express. 26 (4), 3850-3860 (2018).
  13. 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).
  14. Junaid, S., et al. Mid-infrared upconversion based hyperspectral imaging. Optics Express. 26 (3), 2203-2211 (2018).
  15. Kehlet, L. M., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Pedersen, C. Infrared upconversion hyperspectral imaging. Optics Letters. 40 (6), 938-941 (2015).
  16. Hermes, M., et al. Mid-IR hyperspectral imaging for label-free histopathology and cytology. Journal of Optics. 20 (2), 023002 (2018).
  17. 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).
  18. Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P. Ultra-broadband mid-wave-IR upconversion detection. Optics Letters. 42 (8), 1504 (2017).

Tags

InfraredDegenerate Four-wave MixingUpconversion DetectionGas SensingDetection LimitUpconversion ModuleBackground NoiseLaser DiodePPLN CrystalMid-infrared BeamUpconverted SignalNeodiamond Ytterbium OrthovanadateAlignment CavityBeam CardEnd Mirror

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Pedersen, R. L., Li, Z. Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing. J. Vis. Exp. (145), e59040, doi:10.3791/59040 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image