Kızılötesi dejenere dört-dalga ile kantitatif gaz algılama için Upconversion algılama karıştırma
Summary
Burada, hassas, dağınık şekilde çözülmüş gaz spektroskopisi orta-kızılötesi bölgede gerçekleştirmek için bir protokol dejenere dört-dalga karıştırma upconversion algılama ile kombine kullanarak mevcut.
Abstract
Biz gaz türler tek yüzde için ppm aralığında nicel tespiti için gaz spektroskopisi kızılötesi dejenere dört-dalga (IR-DFWM), karıştırma kullanarak gerçekleştirmek için bir protokol mevcut. Yöntemin ana amacı yok geçişler algılama için kullanılabilir gibi görünür veya en yakın-IR spektral aralığında var düşük konsantrasyon türler dağınık şekilde çözülmüş algılama olduğunu. IR-DFWM yanma araştırma büyük bir avantaj olan bir yöntemdir nonintrusive, ekleme olarak bir sonda bir alevin içine bu büyük ölçüde değiştirebilirsiniz. IR-DFWM upconversion algılama ile birleştirilmiştir. IR-DFWM sinyal IR Silikon tabanlı dedektörleri galip gürültü özelliklerinin avantajlarından yararlanmak için yakın-IR bölgesine taşımak için toplam frekans üretimi bu algılama düzenini kullanır. Bu işlem aynı zamanda termal arkaplan ışımasının çoğunu reddeder. Burada sunulan Protokolü IR-DFWM optik doğru hizalaması ve nasıl bir intracavity upconversion tespit sistemi hizalamak için odaklanmıştır.
Introduction
IR-DFWM IR etkin türler ppm düzeyinde1, Uzaysal çözünürlük ile konsantrasyonları ölçme olanağı sağlar. IR-DFWM yanma araştırma için çekici bir tekniği yapmak birçok avantajı vardır. Alevler büyük ölçüde probları ekleme tarafından değiştirilebilir ancak IR-DFWM nonintrusive. Türün konsantrasyonları alev yapısında farklı noktalarda ölçülebilir bir Uzaysal çözünürlük var. Alev termal emisyon ayrılmış olabilir tutarlı bir sinyal sağlar. Ayrıca, DFWM daha az bir alev içinde belirlemek zor olabilir (LIF), çarpışma lazer kaynaklı çevre daha, örneğin, Floresans duyarlıdır. Teknik IR aktif onları diğer teknikleri ile ölçmek için kullanılan eksikliği görünür veya yakınında görünür geçişler ama çoğu moleküler türlerin erişim de sağlar.
DFWM birçok avantajı olsa da, alternatif teknikleri bir veya daha fazla bu avantajları değil gerekirse tercih olabilir. Uzaysal çözünürlük gerekmiyorsa, emme tabanlı teknikleri daha basit ve daha doğru olacaktır. Moleküler türlerin söz konusu görünür veya IR yakınındaki bölgede geçişler varsa, LIF LIF bir uçak yerine sadece tek bir noktadan dağınık şekilde çözülmüş bilgi sağlayabilir tercih, olabilir. Doğru koşullar altında DFWM ve PS, gibi doğrusal olmayan yöntemleri de tek-shot 2D ölçümleri2için kullanılabilir. Bu doğrusal olmayan yöntemler sinyal kuşbaşı sonda kiriş yoğunluğu orantılıdır ve pompa beam 2D ölçüm alanı kapsayacak şekilde genişletilmiş gerekir gibi bu çok yüksek nabız enerjileri ya da bir arada yüksek üçüncü dereceden duyarlılık gerektirir, yüksek konsantrasyonda ve çalışmak için düşük gürültülü. Bu nedenle, çoğunlukla moleküler türler üzerinde bir olasılık bu olup olmadığını bağlıdır.
DFWM ile daha doğrudan bir yarışmada, diğer dört dalga-karıştırma-tabanlı spektroskopik teknikler vardır: tutarlı Anti-Stokes Raman spektroskopisi (CARS), lazer kaynaklı ızgara spektroskopisi (LIGS) ve polarizasyon spektroskopisi (PS). ARABALAR sıcaklık ve yanma ortamlarda büyük türler ölçmek iyi kurulmuş bir teknik var. Ancak, olarak algılama sınırı genellikle yaklaşık % 12küçük türler, algılamak için duyarlılık eksik. PS ve DFWM daha önce benzer duyarlılığı için gösterilmiştir ve algılama3sınırlar; Ancak, DFWM sinyal-gürültü oranı PS sadece 64-fold artış5göstermiştir iken upconversion algılama4ile birleştirildiğinde 500 katına gösterilmiştir. LIGS orta-IR ışık kullanarak bir ızgara inducing avantajı vardır, ama etkisi bu ızgara bir sonda lazer kırılma tarafından önlemler ve bu sonda lazer dalga boyu6serbestçe seçilebilir. Bu nedenle, sonda lazer dalga boyu burada hızlı, düşük gürültü Silikon tabanlı dedektörleri kullanılabilir görünür bölgede olabilir. Upconversion kullanılarak elde edilir aynı avantajı bu. LIGS çarpışma2tam konsantrasyon veya sıcaklık ölçümleri ile LIGS için konsantrasyon büyük gaz bilinmesi gereklidir anlamına gelir, çok hassastır dezavantajı var mı. Bu sorunu aşmak, LIGS DFWM ve PS benzer bir duyarlılık atmosfer basıncı3var, ama nerede LIGS artırır artan basınç, ile sinyal DFWM ve PS sinyalini daha düşük basınçlarında tercih edilen anlamına gelir artar Teknik basınç çevre üzerinde bağlıdır.
Upconversion algılama toplam frekans üretimi kullanarak daha kısa olanlar uzun dalga boylarında bir sinyal dönüştürme tekniğidir. Bunun yararı dedektörleri görünür veya yakın kızılötesi aralığında düşük gürültü ve daha yüksek bir hassasiyet meslektaşlarına IR orta bölgede olması. Bu ilk beş yıl önce araştırılmıştır7, ama çok az dikkat gördüm ve o zamandan beri düşük dönüşüm verimliliği nedeniyle kullanın. Ancak, gelişmeler periyodik olarak kat lityum üretim teknikleri ile niobate (PPLN) ve diğer malzemeler ile yüksek güçlü lazer diyot (LDs), teknik artırılmış kullanılabilirlik çekti yüksek doğrusal olmayan katsayıları, de arttı son on yılda, orta-IR tek foton hafiye8,9,10,11, IR lidar12,13ve hyperspectral gibi alanları kapsayan uygulamaları ile dikkat 14,15 ve mikroskopi16görüntüleme. IR-DFWM ile upconversion algılama birleştiren ana avantajı faz-maç durumu ağır zayıf sinyalleri algılanmasını sağlayan termal arka plan karşı ayrımcılık bir dar açısal ve spektral kabul grup olmasıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lazer ışını hizalamasını duyarlığını yöntemi duyarlılık önemlidir. Belgili tanımlık ışık tarafından eşit mesafede vagon plakaları sonra ayrılır ve kirişler aynı derecede vardır L1 Merkezi aralıklı sağlamak için özel bakım alınması gerekir. Bu sapma için önemli bir düşüş sinyal şiddeti ve duyarlılık, bu nedenle, yol açacaktır. Aynı şekilde, upconversion modülü kavite temel modda çalışıyor ve sinyal ışınını için en uygun bir çakışma upconversion pompa ile hizalanır özen göstermelidir. Sinyal kolayca bir ya da iki büyüklük upconversion kavite yanlış modunda çalışıyorsa veya sinyal ışını örtüşme boşluğu alanı suboptimal azaltılabilir. Bu böylece sinyal ışını odak noktası PPLN kristal ortasında L3 milimetre hassasiyetle yerleştirerek içerir. SFG Sahne Alanı’nın % 6 kuantum verimliliği en uygun bir örtüşme ve 80 W kavite güç ile mümkündür. Dedektör ve burada kullanılan dalga boyu ile toplam algılama verimliliği % 3 olduğunu. 120 W, ulaşılan maksimum intracavity güç olduğunu ama 80 W güvenilir bir şekilde elde edilebilir. İntracavity güç kaydedildiyse farklı intracavity güç ile kaydedilen sinyalleri karşılaştırılabilir şekilde dönüşüm verimliliği intracavity iktidara orantılıdır.
Ana sınırlayıcı bir faktör bu yöntemin hassasiyeti zayıf sinyaller boğan arka plan saçılma olduğunu. Bu saçılma sınırlamak için optik olduğunu kritik tozsuz tuttu, özellikle L1 lens. Ayrıca ışın blok konumunu arka plan gürültü en aza indirir özen göstermelidir. Kontrollü bir şekilde hem de yatay ve dikey düzlemde, belgili tanımlık ışık yönünü dikey hareket edebilir böylece ışını blok bir xy sahnede yer almalıdır.
Burada tartışılan tarama sabit bir ısıda PPLN ile yapılır. Burada Δk faz uyuşmazlığı, L kristal uzunluğu Eşitle (ΔkL/2π)2, dönüşüm verimliliği orantılıdır. Bu işlev (FWHM) maksimum yarım tam genişliği bant genişliği sabit bir PPLN kristal sıcaklık dedektörü var. Bu işlev FWHM kristal sıcaklık ve dalga boyu ile değiştirir ama genelde 5 cm-1 orta-IR, 20 mm uzun crystal için satılabilir. 4.200 istisnadır nm, nerede genişliği büyük ölçüde18artırır.
Hiçbir ölçeklendirme optik dahil edilmiştir Şekil 2, Kur diyagramında herhangi ölçekleme gerekirse ne, karar vermeden önce dikkate alınacak konulara bir dizi olduğundan. Burada anlatılan kurulum için lazer ışını bir ışın çapı ca. 2 mm L1 ulaşan zaman collimated. Bu yaklaşık 400 µm, bir dalga boyu 3 µm kullanarak odak noktada bir ışın bel verir. Bu tekniği uygularken, daha fazla alan L1 ve odak noktası arasında pratik nedenlerden dolayı gereklidir çünkü ya L1, odak uzunluğunu değiştirmek için veya ölçü birimi-ebilmek var olmak yakınsama açıları artırarak kısaltmak için uygun olabilir daha kısa bir odak uzaklığı kullanılarak yapılır. Bu durumda, ca. 400 µm odak noktası ışını belinden tutulmalıdır ve collimated ışını maç ölçekli olmalıdır. Bu, ancak, ışın çapı aralığı kiriş artırmadan artan ışın blok kenarlarından saçılma artacağını dikkate alınması. Uzaysal çözünürlüğü pompa kirişler çakışma tarafından verilir. Ölçüm birimi 6 mm uzunluğunda, bir silindir 0.4 mm yarıçaplı bu yüzden burada anlatılan kurulum için çakışma 6 mm boyundadır.
Yaşantımızı-aşamalı PPLN kristal eşleştirme elde etmek için orta-IR sinyalinin ve upconversion boşluğu intracavity alanında olağanüstü PPLN kristal polarize gerekir. Böylece intracavity alanın polarizasyon otomatik olarak doğru upconversion kavite inşa edilmelidir. Orta-IR lazer zaten bu aynı değilse, bir waveplate çıkış polarizasyon açmak için orta-IR lazer eklenebilir.
IR-DFWM nispeten yüksek enerji gerektirir bakliyat, 1-4 mJ, kombine bir dar ile 0.1 cm-1sırasına çoğu moleküler satırlar gidermek için yeterli lazer linewidth. Genellikle bu ölçütlere uyan lazerler düşük tekrarlama oranları, ve DFWM ile veri toplama genellikle lazer dalga boyu tarayarak yapılır gibi bu ölçümler hızı sınırlar. Bu da geçici çözümlenmiş ölçüleri17‘ ye uygulanmış, ancak nerede konu zaman içinde değişmez ölçüler yöntemi en kolay uygulanan anlamına gelir. Dağınık ışığa duyarlılık nedeniyle, parçacıklar veya ölçü birimi yakınında tamamen sinyal17boğulmak saçılma olayları oluşturmak, başka bir kısıtlamadır. Faz-maç upconversion işleminin termal arkaplan ışımasının gürültü ortadan kaldırmak yardımcı olan hayalice dar durumda, ama o geniş dalga boyu aralıklarında tutmak için PPLN sıcaklık şekilde ayarlanmış olarak daha uzun sürmesine taramalar yapmak sinyal dalga boyu faz eşlemeli.
IR-DFWM gelecekteki kullanımlar NH3 alevler içinde veya daha pratik ortamlarda HCN ile çalışmaya devam etmek için tespiti için planlanmaktadır. Yöntem geliştirmek için en belirgin arka dağınık ışık daha da azaltmak için yoludur. Bu yapılabilir kayma sinyal L2 tarafından toplandıktan sonra sinyal ışınını filtresini kullanma.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ufuk 2020 Avrupa Birliği kapsamında yazarlar tarafından alınan fon çok teşekkür ederiz. Bu eser orta TECH Marie Curie yenilikçi eğitim ağ [H2020-MSCA-ITN-2014-642661] parçası olarak yapılmıştır.
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).
