Инфракрасная вырожденный Четырехволновое, смешивая с Upconversion обнаружения для количественного газ зондирования
Summary
Здесь мы представляем протокол для выполнения чувствительных, пространственно решена газ спектроскопии в средней инфракрасной области, используя вырожденный Четырехволновое смешивания в сочетании с upconversion обнаружения.
Abstract
Мы представляем протокол для выполнения газ спектроскопии с помощью инфракрасного выродились Четырехволновое смешивания (IR-DFWM), для количественного обнаружения видов газа в диапазоне ppm до одного процента. Основная цель метода является пространственно разрешить обнаружение низкие концентрации видов, которые имеют не переходы в видимой или вблизи ИК спектральном диапазоне, который может использоваться для обнаружения. ИК-DFWM является методом неагрессивных, который является большим преимуществом в исследованиях сгорания, как вставить зонд в пламя может изменить его резко. ИК-DFWM в сочетании с upconversion обнаружения. Эта схема обнаружения использует сумму частота поколения для перемещения ИК-DFWM сигнал от середины ИК области вблизи IR, воспользоваться преимуществами улучшенных шумовых характеристик детекторов на основе кремния. Этот процесс также отвергает большинство тепловой радиации. Протокола, представленные здесь уделяется надлежащему применению оптики ИК-DFWM и о том, как согласовать системы обнаружения внутрирезонаторным upconversion.
Introduction
ИК-DFWM обеспечивает возможность измерения концентрации активных видов ИК до ppm уровня1, с пространственным разрешением. ИК-DFWM имеет несколько преимуществ, которые делают его привлекательным техника для сгорания исследований. Пламя может резко изменилась путем введения зонды, но ИК-DFWM неагрессивных. Она имеет пространственное разрешение, поэтому видов концентрации в различных точках в структуре пламени может быть измерена. Она обеспечивает согласованную сигнал, который может быть изолирован от тепловых выбросов пламени. Кроме того DFWM менее чувствителен к флуоресцирования окружающей среды, чем, например, лазерно индуцированным столкновения (LIF), который может быть трудно определить в пламени. Этот метод также предоставляет доступ к молекулярных видов, которые ИК активный, но отсутствие видимых или вблизи видны переходы, которые могут использоваться для измерения их с другими методами.
В то время как DFWM имеет ряд преимуществ, альтернативные методы могут быть предпочтительнее, если не требуется один или несколько из этих преимуществ. Если пространственное разрешение не требуется, методы, основанные на поглощения будет проще и точнее. Если молекулярных видов переходов в регионе видимым или вблизи IR, LIF может быть предпочтительным, как LIF может предоставить пространственно решена информацию от плоскости, а не только одной точке. При правильных условиях нелинейные методы, такие как DFWM и ПС, может также использоваться для измерения 2D single shot2. Сигнал этих нелинейных методов пропорциональна интенсивности пучка зонд Кубе, и как луч насоса должен быть расширен для покрытия области 2D измерение, это требует очень высокой импульсов энергии или сочетание высокой восприимчивостью третьего порядка, высокие концентрации и низкий фоновый шум для работы. Таким образом это главным образом зависит от молекулярных видов ли это возможность.
В более прямой конкуренции с DFWM, есть другие четыре волны смешивания-на основе спектроскопических методов: последовательной Антистоксовый Рамановская спектроскопия (легковые автомобили), лазерно индуцированным решетки спектроскопии (LIGS) и поляризации спектроскопии (PS). Автомобили является устоявшейся техника для измерения температуры и основных видов в средах сгорания. Однако ей не хватает чувствительности для обнаружения мелких видов, как предел обнаружения обычно составляет около 1%2. P.S. и DFWM ранее было показано, чтобы иметь аналогичные чувствительность и обнаружения ограничивает3; Однако чтобы увеличить коэффициент 500 при сочетании с upconversion обнаружения4, в то время как PS показывает только 64-fold увеличение5было показано соотношение сигнал шум DFWM. LIGS обладает преимуществом, вызывая решетки, используя середины IR свет, но меры эффект преломления Лазерный зонд этой решетки, и волны Лазерный зонд может быть выбрано свободно6. Таким образом, длина волны лазера зонд можно в видимой области, где имеются быстрые, низким уровнем шума детекторы на основе кремния. Это те же преимущества, что достигается с помощью upconversion. LIGS имеют тот недостаток, что он очень чувствителен к столкновение2, что означает, что концентрация крупных газовых видов должны быть известны точные концентрации или измерения температуры с LIGS. Если решить этот вопрос, LIGS имеют аналогичные чувствительность к DFWM и ПС на атмосферное давление3, но где LIGS сигнала увеличивается с увеличением давления, сигнал от DFWM и ПС увеличивается при более низких давлениях, что означает предпочтение техника будет зависеть от давления среды.
Обнаружение upconversion методика преобразования сигнала от долго длин волн в коротких, используя сумма частоты генерации. Преимуществом этого является, что детекторы в видимой и ближней ИК-области спектра имеют более низкий уровень шума и более высокая чувствительность, чем их коллеги в регионе середине IR. Это было впервые исследованы пять десятилетий назад7, но видели очень мало внимания и использовать с тех пор, благодаря эффективности низкой конверсии. Однако с достижениями в технологии производства для периодически поляризованных литий ниобата свинца (PPLN) и другие материалы с высокой нелинейных коэффициентами, а также расширение доступности мощных лазерных диодов (LDs), техника привлекла увеличилась в последнее десятилетие, с приложениями, в таких областях, как середины ИК Однофотонная обнаружения8,9,10,11, ИК lidar12,13и гиперспектральных внимание 14,15 и микроскопии16изображений. Главным преимуществом сочетания upconversion обнаружения с ИК-DFWM фаза матч условие имеет узкий углового и спектрального признание band, который сильно дискриминирует тепловой фон, позволяющий обнаружение слабых сигналов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Точность выравнивания импульсного лазерного луча имеет решающее значение для чувствительности метода. Особое внимание следует обеспечить балки разделены на равном расстоянии после КРЫТЫХ пластины и что лучи одинаково расположенных вокруг центра L1. Отклонение от этого приведет к значительному снижению интенсивности сигнала и, следовательно, чувствительность. Кроме того необходимо позаботиться что полость upconversion модуль выполняется в режиме основных и что сигнальный луч выравнивается для оптимального совпадения с насосом upconversion. Сигнал может быть уменьшена легко одной или двух порядков, если полость upconversion выполняется в неправильном режиме или перекрытие луч сигнала с полем полости неоптимальной. Это включает в себя размещение L3 с миллиметровой точностью, таким образом, чтобы сигнал луч координационным центром в середине PPLN кристалл. С оптимальное дублирование и 80 W полости власти 6% квантовой эффективности этапа SFG возможна. С детектором и волны, используемые здесь эффективность общего обнаружения составляет 3%. Мощность максимальная внутриполостной, которая может быть достигнута составляет 120 W, но 80 W может быть достигнуто надежно. Эффективность преобразования пропорциональн к внутриполостной власти, поэтому сигналы, записанный с различными внутрирезонаторным мощности можно сравнивать если мощность внутрирезонаторным записывается.
Основным ограничивающим фактором для чувствительность этого метода является фон рассеяния, который тонет слабых сигналов. Чтобы ограничить этот рассеяния, важно, что оптика, держал пыли, особенно линз L1. Необходимо также позаботиться что позиция блока луч уменьшает фоновый шум. Луч блок должно уделяться xy сцене так, что он может быть перемещен в контролируемым образом в обоих горизонтальной и вертикальной плоскости, перпендикулярно к направлению балок.
Сканирование, обсуждали здесь делается с PPLN при постоянной температуре. Эффективность преобразования пропорциональна sinc (ΔkL/2π)2, где Δk является несоответствие фазы и L – длина кристалл. Полная ширина половина максимума (FWHM) этой функции является пропускная способность детектора при постоянной температуре кристалл PPLN. FWHM этой функции изменения температуры кристалла и волны, но обычно составляет порядка 5 см-1 в середине IR, на кристалле длиной 20 мм. Исключение составляет около 4200 Нм, где ширина увеличивается значительно18.
Без масштабирования оптика были включены в схеме установки в Рисунок 2, потому что есть ряд вопросов для рассмотрения до принятия решения о том, что, если таковые имеются, масштабирование требуется. Для установки, описанной здесь импульсного лазерного луча является коллимированного на луч диаметром ОК. 2 мм, при достижении L1. Это дает луч талии в фокальной точке приблизительно 400 мкм, с помощью волны 3 мкм. При реализации этого метода, было бы желательно изменить фокусное расстояние L1, либо потому, что необходимо больше пространства между L1 и координационным центром по практическим соображениям, или сократить объем измерений путем увеличения углами конвергенции, которые могут быть с помощью короче Фокусное расстояние. В этом случае луч талии в фокальной точке должны храниться на примерно 400 мкм и коллимированном пучке должны масштабировать для соответствия. Следует, однако, необходимо учитывать, что увеличение диаметра луча без увеличения интервалов балок увеличит рассеяния от края блока луча. Пространственное разрешение дается перекрытия балки насоса. Для установки, описанной здесь перекрытие является 6 мм длиной, поэтому объем измерения представляет собой цилиндр 6 мм длиной, с радиусом 0,4 мм.
Для достижения квази-этапа сопоставления в PPLN кристалле, середины ИК-сигнал и внутрирезонаторным области полости upconversion должны чрезвычайно поляризован в PPLN кристалла. Upconversion полость должна быть построена так, что поляризация внутрирезонаторным поля автоматически. Если середины ИК лазер уже не соответствовать этому, фазовые может быть вставлен в середине IR Лазерный вывода превратить поляризации.
ИК-DFWM требует относительно высокой энергии импульсов, 1-4 МДж, в сочетании с узкой достаточно лазерный linewidth решить молекулярных линий, которые являются порядка 0,1 см-1. Лазеры, которые соответствуют этим критериям обычно имеют низкий второгодников, и как правило сбора данных с DFWM делается путем сканирования длины волны лазера, это ограничивает скорость измерений. Это означает, что наиболее легко применяется метод измерения, где тема не меняется со временем, хотя он также был применен к временно решена измерения17. Еще одним ограничением является, что, из-за чувствительности к рассеянного света, частицы или поблизости измерения объема создаст рассеяния событий, которые полностью утопить сигнал17. Фаза матч состояние процесса upconversion спектрально узкие, который помогает устранить шум от тепловой радиации, но он делает сканирование диапазонам широкие волны больше времени, как PPLN температуры должны быть настроены, чтобы сохранить соответствует фазе волны сигнала.
Будущего использования ИК-DFWM планируется для обнаружения NH3 в пламени, или продолжить работу с HCN в средах с более практичным. Наиболее очевидным средством для улучшения метод является для дальнейшего сокращения фон от рассеянного света. Это может быть сделано с использованием пространственной фильтрации сигнала луча после сигнала собирается L2.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Средств, полученных авторами в рамках Horizon 2020, Европейский союз высоко оценил. Эта работа проводилась в рамках среднего TECH Мари Кюри инновационные учебные сети [H2020-МСКА-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
- 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).
