A raggi infrarossi degenerato quattro-onda miscelazione con rilevamento di Upconversion per sensoristica quantitativa
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per eseguire spettroscopia gas sensibili, risolte spazialmente nella regione metà di-infrarossa, usando degenerato quattro-onda miscelazione combinata con upconversion rilevamento.
Abstract
Vi presentiamo un protocollo per l’esecuzione di spettroscopia di gas utilizzando infrarossi degenerato quattro-onda di miscelazione (IR-DFWM), per la rilevazione quantitativa di specie di gas nella gamma ppm–single-per cento. Lo scopo principale del metodo è la rilevazione risolta spazialmente di basso-concentrazione specie, che non hanno nessuna transizione nella gamma spettrale visibile o vicino-IR che poteva essere utilizzata per il rilevamento. IR-DFWM è un metodo non invasivo, che è un grande vantaggio nella ricerca di combustione, come l’inserimento di una sonda in una fiamma può cambiare drasticamente. IR-DFWM è combinato con upconversion rilevamento. Questo schema di rilevamento utilizza somma-frequenza generazione per spostare il segnale IR-DFWM da mid-IR nella regione vicino-IR, per sfruttare le caratteristiche di rumore superiore di rivelatori basati su silicio. Questo processo respinge anche la maggior parte della radiazione di fondo termico. Il focus del protocollo presentato qui è il corretto allineamento dell’ottica IR-DFWM e su come allineare un sistema di rilevamento di upconversion intracavitaria.
Introduction
IR-DFWM fornisce la capacità di misurare le concentrazioni di specie attive IR fino a ppm livello1, con risoluzione spaziale. IR-DFWM presenta diversi vantaggi che rendono questa tecnica attraente per la ricerca di combustione. Fiamme possono essere cambiate drasticamente con l’inserimento di sonde, ma IR-DFWM è una musica. Ha una risoluzione spaziale, così le concentrazioni della specie in diversi punti la struttura della fiamma possono essere misurate. Esso fornisce un segnale coerente, che può essere isolato dall’emissione termica della fiamma. Inoltre, DFWM è meno sensibile alla fluorescenza di ambiente che, per esempio, indotta da laser di collisione (LIF), che può essere difficile da determinare in una fiamma. La tecnica fornisce anche accesso alle specie molecolari che sono IR attivo, ma le transizioni di visibile o vicino mancanza che possono essere utilizzate per misurare la loro con altre tecniche.
Mentre DFWM ha una serie di vantaggi, tecniche alternative potrebbero essere preferibile se uno o più di questi vantaggi non sono necessari. Se non è richiesta la risoluzione spaziale, tecniche basate su assorbimento sarà sia più semplice e più preciso. Se le specie molecolari in questione hanno transizioni nella regione visibile o vicino-IR, LIF potrebbe essere preferibile, LIF possono fornire informazioni risolte spazialmente da un aereo, piuttosto che a un solo punto. Sotto le giuste condizioni, metodi non lineari, quali DFWM e PS, utilizzabile anche per misurazioni 2D single shot2. Il segnale di questi metodi non lineari è proporzionale all’intensità del fascio sonda a cubetti, e come il fascio di pompa deve essere espanso per coprire l’area della misurazione 2D, questo richiede energie molto elevato impulso o una combinazione di elevata suscettibilità di terzo ordine, alte concentrazioni e rumore di fondo basso per lavorare. Pertanto, esso dipende principalmente le specie molecolari se questa è una possibilità.
In una più diretta concorrenza con DFWM, ci sono le altre tecniche spettroscopiche quattro-onda-miscelazione-based: spettroscopia di Raman anti-Stokes coerente (automobili), la spettroscopia indotta da laser grata (Bulbocavernoso) e spettroscopia di polarizzazione (PS). CARS è una tecnica affermata per la misurazione della temperatura e le principali specie in ambienti di combustione. Tuttavia, manca la sensibilità per rilevare le specie minori, come il limite di rilevamento è solitamente circa 1%2. PS e DFWM precedentemente sono state indicate per avere simili sensibilità e limiti di rilevamento3; Tuttavia, il rapporto segnale-rumore di DFWM ha dimostrato di aumentare del fattore 500 quando combinato con upconversion rilevamento4, mentre PS ha mostrato solo un 64-fold aumento5. Bulbocavernoso ha il vantaggio di indurre una grata, utilizzando luce mid-IR, ma misura l’effetto di rifrazione di un laser di sonda di questo reticolo, e la lunghezza d’onda del laser sonda possa essere scelti liberamente6. La lunghezza d’onda del laser sonda può, pertanto, essere nella regione visibile, dove sono disponibili rivelatori basati su silicio veloce, a basso rumore. Questo è lo stesso vantaggio che si ottiene utilizzando upconversion. Bulbocavernoso hanno lo svantaggio che è molto sensibile a collisione2, che significa che la concentrazione di gas principali specie deve essere conosciuta per misure di temperatura con Bulbocavernoso o precisa concentrazione. Se tale problema sia stato superato, Bulbocavernoso hanno una sensibilità simile sia DFWM e PS a pressione atmosferica3, ma dove il Bulbocavernoso segnale aumenta con l’aumento della pressione, aumenta il segnale da DFWM e PS a pressioni inferiori, che significa il preferito tecnica dipenderà l’ambiente di pressione.
Rilevamento di upconversion è la tecnica di conversione di un segnale da lunghezze d’onda lunghe a quelli più brevi tramite generazione di somma-frequenza. Il vantaggio di questo è che i rivelatori nella gamma visibile o infrarosso hanno minor rumore e una maggiore sensibilità rispetto ai loro omologhi della regione mid-IR. Questo è stato prima studiato cinque decenni fa7, ma ha visto ben poca attenzione e utilizzare da allora, dovuto le efficienze di conversione basso. Tuttavia, con gli avanzamenti nelle tecniche di produzione per periodicamente palificato litio niobato (PPLN) e altri materiali con elevati coefficienti non lineari, nonché che la maggiore disponibilità di diodi laser ad alta potenza (LDs), la tecnica ha attirato aumentato attenzione nell’ultimo decennio, con applicazioni in settori quali la rilevazione del singolo-fotone mid-IR8,9,10,11, IR lidar12,13e iperspettrali formazione immagine di microscopia e15 14,16. Il principale vantaggio di combinare upconversion rilevamento con IR-DFWM è che la condizione di fase-partita ha una banda stretta accettazione angolare e spettrale, che discrimina pesantemente contro lo sfondo termico, consentendo la rilevazione di segnali più deboli.
Protocol
Representative Results
Discussion
La precisione dell’allineamento del fascio laser pulsato è fondamentale per la sensibilità del metodo. Deve prestare un’attenzione speciale per garantire che le travi sono separate dalla distanza uguale dopo le piastre BOXCARS e che le travi sono ugualmente spaziati intorno il centro di L1. Deviazione da questo porterà ad un calo significativo nell’intensità del segnale e, di conseguenza, la sensibilità. Allo stesso modo, è necessario prestare attenzione che la cavità di upconversion modulo è in esecuzione in modo fondamentale e che il fascio di segnale è allineato per una sovrapposizione ottima con la pompa di upconversion. Il segnale può facilmente essere ridotta da uno o due ordini di grandezza se la cavità di upconversion è in esecuzione in una modalità errata o la sovrapposizione di fascio di segnale con il campo di cavità è suboptimale. Questo include immissione L3 con precisione millimetrica, in modo che il punto focale di segnale fascio è nel mezzo del cristallo PPLN. Con una sovrapposizione ottima e 80 W di potenza di cavità, un’efficienza quantica di 6% della fase SFG è possibile. Con il rivelatore e la lunghezza d’onda usata qui, l’efficienza di rivelazione totale è 3%. La potenza massima intracavitaria che può essere raggiunta è di 120 W, ma 80 W può essere realizzato in modo affidabile. L’efficienza di conversione è proporzionale alla potenza intracavitaria, così i segnali registrati con un potere diverso intracavitaria possono essere paragonati se il potere di intracavitaria è registrato.
Il principale fattore limitante per la sensibilità di questo metodo è la dispersione di sfondo, che annega i segnali deboli. Per limitare questa dispersione, è fondamentale che le ottiche sono mantenuto privo di polvere, soprattutto lente L1. Deve anche prestare attenzione che la posizione del blocco trave riduce al minimo il rumore di fondo. Il blocco del fascio deve essere collocato su un palcoscenico di xy così che può essere spostato in un modo controllato in entrambi il piano orizzontale e verticale, perpendicolare alla direzione delle travi.
La scansione discusso qui è fatta con il PPLN a temperatura costante. L’efficienza di conversione è proporzionale a sinc (ΔkL/2π)2, dove Δk è lo squilibrio di fase e L è la lunghezza del cristallo. Il massimo di mezza larghezza intera (FWHM) di questa funzione è la larghezza di banda del rivelatore ad una temperatura costante di cristallo PPLN. La FWHM di questa funzione cambia con la temperatura di cristallo e la lunghezza d’onda ma è generalmente dell’ordine di 5 cm-1 in mid-IR, per un cristallo lungo di 20 mm. L’eccezione è vicino a 4.200 nm, dove la larghezza aumenta notevolmente18.
Nessuna scalatura ottica sono state incluse nel diagramma in Figura 2, perché ci sono una serie di problemi da considerare prima di decidere che cosa, se qualsiasi, ridimensionamento è necessaria. Per l’installazione qui descritto, il fascio laser pulsato è collimato a un fascio di diametro di ca. 2 mm quando si raggiunge L1. Questo dà una vita del fascio al punto focale di circa 400 µm, utilizzando una lunghezza d’onda di 3 µm. Quando si implementa questa tecnica, potrebbe essere auspicabile per modificare la lunghezza focale di L1, sia perché è necessario più spazio tra L1 e il punto focale per ragioni pratiche, o per ridurre il volume di misura aumentando gli angoli di convergenza, che possono essere fatto usando una focale più corta. In questo caso, la vita del fascio al punto focale deve essere tenuta a ca. 400 µm e il fascio collimato dovrebbe essere adattato in base. Dovrebbe, tuttavia, occorre tener conto che aumentando il diametro del fascio senza aumentare la spaziatura delle travi aumenterà lo scattering dai bordi del blocco di larghezza. La risoluzione spaziale è data dalla sovrapposizione dei fasci pompa. Per l’installazione qui descritto, la sovrapposizione è 6 mm di lunghezza, quindi il volume di misura è un cilindro di 6 mm di lunghezza, con un raggio di 0,4 mm.
Per raggiungere quasi-monofase-corrispondenza nel cristallo PPLN, sia il segnale di metà-IR e il campo di intracavitaria della cavità upconversion deve essere straordinariamente polarizzati nel cristallo PPLN. La cavità di upconversion dovrebbe essere costruita affinché la polarizzazione del campo intracavitaria è automaticamente giusta. Se il laser di metà-IR non corrisponde già questo, un waveplate può essere inserito a metà-IR laser uscita per trasformare la polarizzazione.
IR-DFWM richiede relativamente alta energia impulsi, mJ 1-4, combinato con uno stretto abbastanza linewidth laser per risolvere linee molecolari, che sono dell’ordine di 0,1 cm-1. Laser che corrispondono a questi criteri generalmente hanno tassi di ripetizione basso, e come acquisizione di dati con DFWM è generalmente fatto analizzando la lunghezza d’onda del laser, questo limita la velocità di misure. Ciò significa che il metodo viene applicato più prontamente alle misurazioni dove il soggetto non cambia nel tempo, anche se è stato applicato anche a misure risolte temporalmente17. Un’altra limitazione è che, a causa della sensibilità a luce diffusa, particelle a o vicino al volume di misura creerà eventi di scattering che annegano completamente il segnale17. La condizione di fase-partita del processo upconversion è spettralmente stretta, che aiuta a eliminare il rumore dalla radiazione di fondo termico, ma rende scansioni negli intervalli di vasta lunghezza d’onda più lunghe come la temperatura PPLN deve essere sintonizzata per mantenere il lunghezza d’onda del segnale fase-abbinati.
Usi futuri di IR-DFWM sono previste per la rilevazione di NH3 in fiamme, o di continuare il lavoro con HCN in ambienti più pratici. Il mezzo più ovvio per migliorare il metodo è quello di ridurre ulteriormente lo sfondo da luce diffusa. Questa operazione può essere eseguita utilizzando un filtro spaziale del fascio segnale dopo il segnale viene raccolto da L2.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il finanziamento ricevuto dagli autori nell’ambito di Orizzonte 2020 dall’Unione europea è molto apprezzato. Questo lavoro è stato condotto come parte della rete di formazione innovativo Mid-TECH Marie Curie [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 |
References
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