Onda de cuatro degenerados infrarrojo mezcla con detección de Upconversion para detección cuantitativa de Gas
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para realizar espectroscopia de gas sensible, espacialmente resuelto en la región del infrarroja medio, utilizando mezcla de cuatro ondas degenerado combinado con la detección de conversión ascendente.
Abstract
Presentamos un protocolo para realizar espectroscopia de gas mediante mezcla de cuatro ondas degenerado infrarrojo (IR-DFWM), para la detección cuantitativa de las especies de gas en el rango de ppm a % solo. El objetivo principal del método es la detección espacial resuelta de especies de baja concentración, que no hay transiciones en el espectro visible o cercano-IR que podría utilizarse para la detección. IR-DFWM es un método no intrusivo, que es una gran ventaja en la investigación de la combustión, como la inserción de una sonda en una llama puede cambiar drásticamente. La IR-DFWM se combina con la detección de conversión ascendente. Este esquema de detección utiliza suma frecuencia generación para pasar la señal IR-DFWM de la mediados de-IR a la región de cercano-IR, para tomar ventaja de las características de ruido superior de detectores basados en silicio. Este proceso también rechaza la mayor parte de la radiación térmica de fondo. El enfoque del protocolo presentado aquí es sobre la alineación apropiada de la óptica de IR DFWM y sobre cómo alinear un sistema de detección de upconversion intracavity.
Introduction
IR-DFWM proporciona la capacidad de medir las concentraciones de especies activas de IR hasta el ppm nivel1, con una resolución espacial. IR-DFWM tiene varias ventajas que lo convierten en una técnica atractiva para la investigación de la combustión. Las llamas pueden cambiar drásticamente por la inserción de sondas, pero DFWM IR es no intrusivo. Tiene una resolución espacial, por lo que pueden medirse las concentraciones de la especie en diferentes puntos de la estructura de la llama. Proporciona una señal coherente, que puede ser aislada de la emisión térmica de la llama. Además, es menos sensible a la fluorescencia colisión del medio ambiente que, por ejemplo, inducida por láser (LIF), que puede ser difícil de determinar en una llama DFWM. La técnica también proporciona acceso a especies moleculares que son activo pero falta visible visible cerca de las transiciones o que pueden ser utilizadas para medir con otras técnicas de IR.
Mientras que DFWM tiene una serie de ventajas, técnicas alternativas sería preferibles si uno o más de estas ventajas no son necesarias. Si no es necesaria resolución espacial, técnicas basadas en la absorción será más simple y más precisa. Si la especie molecular en cuestión tiene las transiciones en la región visible o cercano-IR, LIF sería preferible, como LIF puede proporcionar información espacialmente resuelto desde un avión en lugar de sólo un único punto. Bajo las condiciones adecuadas, los métodos no lineales, tales como DFWM y PS, pueden utilizarse también para mediciones 2D solo tiro2. La señal de estos métodos no lineales es proporcional a la intensidad del haz sonda en cubos, y como la viga de la bomba debe ampliarse para cubrir el área de la medición 2D, esto requiere energías de pulso muy alto o una combinación de alta susceptibilidad de tercer orden, altas concentraciones y bajo ruido para trabajar. Por lo tanto, sobre todo depende de la especie molecular si se trata de una posibilidad.
En una competencia más directa con DFWM, se encuentran las otras cuatro ondas de mezcla-basado en técnicas espectroscópicas: espectroscopía de Raman anti-Stokes coherente (coches), espectroscopia inducida por láser de la reja (LIGS) y espectroscopia de polarización (PS). CARS es una técnica bien establecida para la medición de la temperatura y la especie principal en los ambientes de la combustión. Sin embargo, carece de la sensibilidad para la detección de especies menores, como el límite de detección suele ser aproximadamente 1% a2. PS DFWM ya se ha demostrado que tienen similar sensibilidad y límites de detección3; sin embargo, la relación señal a ruido de DFWM se ha demostrado para aumentar el factor 500 cuando se combina con conversión ascendente de detección4, mientras que el PS ha mostrado sólo un aumento de la 64-fold5. LIGS tiene la ventaja de inducir una reja, usando la luz de la mediados de-IR, pero mide el efecto de la refracción de un láser de la sonda de esta reja, y la longitud de onda de este láser de la sonda puede ser elegido libremente6. La longitud de onda del láser de la sonda, por lo tanto, se puede en la región visible, que disponen de detectores basados en silicio rápidos, de poco ruido. Esta es la misma ventaja que se logra con conversión ascendente. LIGS tienen el inconveniente que es muy sensible al choque2, que significa que debe conocerse la concentración de gas principales especies para la concentración precisa o las mediciones de temperatura con LIGS. Si se supera esa cuestión, LIGS tiene una sensibilidad similar a DFWM y PS a las3de la presión atmosférica, pero donde los LIGS de señal aumenta con el aumento de la presión, la señal de DFWM y PS aumenta a presiones más bajas, que significa el preferido técnica dependerá el ambiente de presión.
Upconversion de detección es la técnica de convertir una señal de largo longitudes de onda más cortos mediante el uso de generación de frecuencia suma. La ventaja de esto es que los detectores en el rango visible o infrarrojo cercano tienen ruido más bajo y una sensibilidad mayor que sus contrapartes en la región mediados de-IR. Esto primero fue investigado hace cinco décadas7, pero vi muy poca atención y desde entonces, debido a las eficiencias de conversión baja. Sin embargo, con los avances en las técnicas de producción de litio periódicamente polarizado niobato (PPLN) y otros materiales con coeficientes no lineales alto, también de que ha atraído a la mayor disponibilidad de los diodos láser de alta potencia (LDs), la técnica mayor atención en la última década, con aplicaciones que cubren áreas como mediados de-IR del solo-fotón detección8,9,10,11, IR lidar12,13e hiperespectrales proyección de imagen de15 y la microscopia de14,16. La principal ventaja de combinar la detección de conversión ascendente con IR-DFWM es que la condición de fase partida tiene una banda estrecha aceptación angular y espectral, que discrimina fuertemente contra el fondo térmico, permitiendo la detección de las señales más débiles.
Protocol
Representative Results
Discussion
La precisión de la alineación del haz láser pulsado es fundamental a la sensibilidad del método. Debe tener cuidado especial para asegurar que las vigas están separadas por una distancia igual después de las placas de vagones y que las vigas son igualmente espaciados alrededor del centro de L1. Desviación de esto conducirá a un descenso en la intensidad de la señal y, por lo tanto, la sensibilidad. Asimismo, se debe tener cuidado que la cavidad del módulo de conversión ascendente se ejecuta en el modo fundamental y que el haz de señal está alineado para un solapamiento óptimo con la bomba de upconversion. La señal puede reducirse fácilmente en uno o dos órdenes de magnitud si la cavidad upconversion se ejecuta en un modo incorrecto o la señal Haz superposición con el campo de la cavidad es subóptima. Esto incluye colocar L3 con precisión milimétrica para que el foco del haz de señal está en el centro del cristal PPLN. Con un solapamiento óptimo y 80 W de potencia de la cavidad, es posible una eficiencia cuántica de 6% de la etapa de la SFG. Con el detector y la longitud de onda utilizada aquí, la eficiencia total de detección es 3%. El poder de intracavity máxima que puede alcanzarse es de 120 W, pero 80 W puede lograrse confiablemente. La eficiencia de conversión es proporcional a la potencia del intracavity, por lo que las señales grabadas con una potencia de intracavity diferentes pueden compararse si el poder del intracavity se registra.
El principal factor limitante para la sensibilidad de este método es la dispersión del fondo, que ahoga las señales débiles. Para limitar esta dispersión, es crítico que la óptica es mantenerse libre de polvo, especialmente de la lente L1. También se debe tener cuidado que la posición del bloque viga minimiza el ruido de fondo. El bloque de la viga debe colocarse en un escenario de xy para que se pueda mover de forma controlada en ambos el horizontal y vertical plano, perpendicular a la dirección de las vigas.
El análisis que aquí se hace con PPLN a una temperatura constante. La eficiencia de conversión es proporcional a sinc (ΔkL/2π)2, donde Δk es el desequilibrio de fase y L es la longitud del cristal. El ancho completo medio máximo (FWHM) de esta función es el ancho de banda del detector a una temperatura constante de cristal PPLN. El FWHM de esta función cambia con la temperatura del cristal y la longitud de onda pero es generalmente del orden de 5 cm-1 en el mediados de-IR, para un cristal de 20 mm largo. La excepción es cerca de 4.200 nm, en donde el ancho incrementa grandemente18.
No hay escala óptica han sido incluidas en el diagrama de configuración en la figura 2, porque hay una serie de cuestiones a considerar antes de decidir qué, si es necesario, de cualquier escala. Para la configuración aquí descrita, el rayo láser pulsada es colimado en un diámetro de haz de aprox. 2 mm al llegar a L1. Esto le da una cintura de la viga en el punto focal de aproximadamente 400 μm, con una longitud de onda 3 μm. Al implementar esta técnica, podría ser conveniente cambiar la distancia focal de la L1, ya sea porque se necesita más espacio entre la L1 y el punto focal por razones prácticas, o para reducir el volumen de medición mediante el aumento de los ángulos de convergencia, que pueden ser realiza mediante el uso de una longitud focal más corta. En este caso, la cintura de la viga en el punto focal se debe tener a ca. 400 μm y el haz colimado debe ampliarse para que coincida con. Sin embargo, tenerse en cuenta que aumentar el diámetro de la viga sin aumentar el espaciamiento de las vigas se incrementará la dispersión de los bordes del bloque de la viga. La resolución espacial está dado por el traslapo de las vigas de la bomba. Para la configuración aquí descrita, la superposición es 6 mm de largo, por lo que el volumen de medición es un cilindro de 6 mm de largo, con un radio de 0,4 mm.
Para lograr el cuasi-fase-que empareja en el cristal PPLN, la señal de la mediados de-IR y el campo del intracavity de la cavidad de upconversion deben extraordinariamente polarizadas en el cristal PPLN. La cavidad de upconversion se debe construir para que la polarización del campo intracavity es automáticamente. Si el laser de la mediados de-IR no ya coincide con esto, se puede insertar un waveplate en el laser de la mediados de-IR de salida a la polarización.
IR-DFWM requiere de relativamente alta energía pulsos, de 1 a 4 mJ, combinan con un estrecho bastante grosor de línea láser para resolver líneas moleculares, que son del orden de 0,1 cm-1. Láseres que cumplan estos criterios generalmente tienen tasas de repetición baja, y como adquisición de datos con DFWM se hace generalmente mediante la exploración de la longitud de onda del láser, esto limita la velocidad de las mediciones. Esto significa que el método se aplica más fácilmente a mediciones donde el sujeto no cambia con el tiempo, aunque también se ha aplicado a medición temporal resuelta17. Otra limitación es que, debido a la sensibilidad a la luz dispersada, en o cerca del volumen de medición de partículas creará eventos de dispersión que ahogan totalmente la señal17. La condición de partido de la fase del proceso de conversión ascendente de espectral estrecha, que ayuda a eliminar el ruido de la radiación térmica de fondo, pero hacer exploraciones sobre longitudes de onda amplio más desperdiciadores de tiempo como la temperatura PPLN debe ajustarse para mantener la longitud de onda de señal emparejar de fase.
Usos futuros de IR-DFWM están previstos para la detección de NH3 en llamas, o para continuar el trabajo con HCN en ambientes más prácticos. El medio más obvio para mejorar el método es reducir aún más el fondo de luz dispersada. Esto puede hacerse usando filtrado espacial de la viga de la señal después de la señal es recogida por L2.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El financiamiento recibido por los autores en el ámbito del horizonte 2020 de la Unión Europea es muy apreciado. Este trabajo fue realizado como parte de la red de formación de tecnología medio 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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