여기, 우리 타락 한 4 웨이브 혼합 업 탐지와 결합을 사용 하 여 공간 해결, 민감한 가스 분광학 중 적외선 영역에서 수행 하는 프로토콜 제시.
우리는 단일 %를 ppm 범위에서 가스의 정량적 검출을 위한 가스 분광학 적외선 퇴 화 4 웨이브 혼합 (IR-DFWM)를 사용 하 여 수행 하기 위한 프로토콜을 제시. 메서드의 주요 목적은 탐지를 위해 사용 될 수 있는 표시 또는 가까운 IR 스펙트럼 범위에 있는 아무 전환 낮은 농도 종의 공간 해결된 검색 이다. IR-DFWM 연소 연구에 큰 이점 인 식 방법은 삽입으로 프로브는 화 염으로 변경할 수 있습니다 그것은 크게. IR-DFWM 업 탐지와 결합 된다. 이 탐지 체계 합계 주파수 세대를 사용 하 여 IR DFWM 신호를 중반-IR에서 실리콘 기반 검출기의 우수한 잡음 특성을 활용 하기 위해 근처-적외선 영역으로 이동. 이 프로세스는 또한 열 배경 방사선의 대부분을 거부합니다. 여기에 제시 된 프로토콜의 초점은 IR DFWM 광학의 적절 한 맞춤에 및 intracavity 업 검출 시스템을 정렬 하는 방법에 있습니다.
IR-DFWM는 ppm 수준1, 공간 해상도 IR 활성 종의 농도 측정 하는 기능을 제공 합니다. IR-DFWM에는 연소 연구를 위한 매력적인 기술 있도록 몇 가지 장점이 있습니다. 화 염의 프로브를 삽입 하 여 크게 바뀔 수 있다 하지만 IR DFWM 식. 그것이 공간 해상도, 화 염 구조에 다른 지점에서 종의 농도 측정할 수 있다. 불꽃의 열 방출에서 격리 될 수 있는 일관 된 신호를 제공 합니다. 또한, DFWM은 불꽃에 결정 하기가 어려울 수 있습니다 있는 충돌 보다 환경, 예를 들어, 레이저 유도 된 형광 (LIF)에 덜 민감합니다. 기술은 또한 IR 부족 표시 또는 근처에 보이는 전환 다른 기술로 그들을 측정 하는 데 사용할 수 있습니다 하지만 활성 분자 종에 대 한 액세스를 제공 합니다.
DFWM는 다양 한 장점, 하는 동안 대체 기술을 이러한 장점 중 하나 이상 필요 하지 않은 경우에 것이 좋습니다 수 있습니다. 공간 해상도 필요 하지 않습니다, 경우 흡수 기반 기술을 간단 하 고 더 정확한 것입니다. 있다면 문제의 분자 종 전환 표시 또는 근처-적외선 영역에서 LIF LIF 비행기 보다는 그냥 단일 지점에서 공간 해결된 정보를 제공할 수 있는 바람직 수 있습니다. 오른쪽 조건 하에서 비선형 메서드를 DFWM 및 PS, 또한 단일-샷 2D 측정2사용할 수 있습니다. 이러한 비선형 방법의 신호는 cubed, 조사 빔 강도에 비례 하며 펌프 빔 2D 측정의 영역을 확장 해야 합니다,이 매우 높은 펄스 에너지 또는 높은 3 차 민감성의 조합 높은 농도, 그리고 작동 하도록 낮은 배경 잡음. 따라서, 그것은 주로에 따라 다릅니다 분자 종 가능성 인지.
DFWM와 더 직접적인 경쟁에는 다른 4 파-혼합-기반 분 광 기술이 있다: 일관 된 반 스톡 스 라만 분광학 (자동차), 레이저 유도 격자 분광학 (LIGS), 및 분극 분광학 (PS). 자동차 온도 및 연소 환경에서 주요 종 측정을 위한 기초가 튼튼한 기술입니다. 그러나, 그것은 검출 한계는 일반적으로 약 12로 부 종, 검출 감도를 부족 하다. PS 및 DFWM 이전 유사한 감도가지고 표시 되었습니다 및 검색 제한3. 그러나, DFWM의 신호 대 잡음 비율 비율 500 PS 64-fold 증가5만 표시는 업 검출4와 결합 될 때 증가 표시 되었습니다. LIGS 중간 적외선 빛을 사용 하 여 유도 하는 격자의 이점이 있다 그러나이 격자의 프로브 레이저의 굴절에 의해 효과 측정 하 고이 프로브 레이저의 파장을 자유롭게 선택할 수 있습니다6. 프로브 레이저의 파장 일 수 있으며, 따라서, 빨리, 저 잡음 실리콘 기반 감지기를 사용할 수 있는 표시 영역에 이것은 업 컨버전을 사용 하 여 동일한 이점 이다. LIGS 그것은 매우 민감하고 충돌2, 즉 주요 가스 종의 농도 알고 있어야 정확한 농도 또는 LIGS 온도 측정에 대 한 단점은 있다. 그 문제를 극복 하는 경우 LIGS는 대기압3, DFWM 및 PS에 유사한 감도 있지만 어디에서 LIGS 신호, 압력 증가 함께 증가 DFWM 및 PS에서 신호 낮은 압력에서 선호 의미 기술 압력 환경에 따라 달라 집니다.
업 탐지는 합계 주파수 세대를 사용 하 여 짧은 것에서 긴 파장 신호를 변환의 기술입니다. 이것의 장점은 표시 또는 가까운 적외선 범위에서 검출기는 낮은 잡음과 그들의 대조 물 보다는 더 높은 감도 중반-적외선 영역에서. 이것은 처음 5 년 전 조사7, 하지만 아주 작은 관심 보았고 이후로, 낮은 변환 효율성 때문 사용. 그러나, 정기적으로 poled 리튬에 대 한 생산 기술 진보와 함께 피리 (PPLN) 및 높은 비선형 계수, 또한 고 출력 레이저 다이오드 (Ld), 기술은의 증가 가용성을 끌고있다와 기타 자료 증가 지난 10 년간, 중반 IR 단일 광자 검출8,,910,11, IR lidar12,13, hyperspectral 등의 분야를 다루는 응용 프로그램에 주의 14,15 그리고 현미경 검사 법16이미지입니다. 업 감지 적외선 DFWM와 결합 하 여의 주요 장점은 위상 정합 조건 열 배경, 약한 신호 감지를 허용에 대 한 무 겁 게 차별 좁은 각도 및 스펙트럼 수용 밴드 있다.
펄스 레이저 광선의 맞춤의 정밀도 방법의 감도에 중요 합니다. 광선은 구분 하 여 동등한 거리 BOXCARS 접시 후 고 L1의 중심 주위 광선 동등 하 간격을 둔 특별 한 배려를가지고 한다. 이 편차 신호 강도 및, 따라서, 감도에 상당한 드롭 이어질 것입니다. 마찬가지로, 해야 합니다 주의 업 모듈 구멍 기본 모드에서 실행 되 고 신호 광속 업 펌프와 최적의 중복에 대 한 정렬 됩니다. 업 구멍 잘못 된 모드에서 실행 중인 또는 구멍 필드와 신호 빔 중복 차선 신호 쉽게 하나 또는 두 개의 크기 순서에 의해 줄일 수 있습니다. 이 신호 빔 초점 PPLN 크리스탈 중간 L3 밀리미터 정밀도 배치 포함 됩니다. 최적의 중복 및 캐비티 권력의 80 W, SFG 무대의 6% 양자 효율 가능 하다. 검출기와 여기에 사용 되는 파장, 총 검출 효율 3%입니다. 연결할 수 있는 최대 intracavity 힘은 120 W, 80 승을 안정적으로 얻을 수 있습니다 하지만. 변환 효율 intracavity 파워에 비례 이므로 intracavity 전원 기록 하는 경우 다른 intracavity 전원 기록 신호를 비교할 수 있습니다.
이 방법의 감도 대 한 주요 제한 요소는 약한 신호를 익사 배경 산란. 제한 하려면이 산란, 그것은 중요 한 광학은 L1 렌즈 특히 먼지-무료 유지. 해야 합니다 또한 주의 빔 블록의 위치 배경 잡음을 최소화 한다. 둘 다 수평 및 수직 평면에 광선의 방향에 수직인 제어 방식으로 이동할 수 있도록 빔 블록 xy 스테이지에 배치 되어야 합니다.
여기서 설명 하는 스캔 PPLN 일정 한 온도에서 이루어집니다. 변환 효율은 싱크 (ΔkL/2π)2, 어디 Δk 위상 부정합 이며 L 크리스탈 길이에 비례 이다. 이 함수에의 전체 폭 절반 최대 (FWHM) 일정 한 PPLN 크리스털 온도에서 검출기의 대역폭입니다. 이 함수의 FWHM 크리스털 온도와 파장 변경 하지만 5 c m-1 는 중반-IR, 20 m m 긴 크리스탈에 대 한에 순서는 일반적으로. 예외는 4200 근처 nm, 크게18의 너비 증가.
수 있는 스케일링이 필요한 경우, 무엇을 결정 하기 전에 고려해 야 할 문제가 있기 때문에 없음 배율 광학 그림 2에서 설치 다이어그램에 포함 되었습니다. 여기에 설명 된 설치에 대 한 펄스 레이저 빔은 ca. 2 m m의 빔 직경에 조명을 L1에 도달. 이 3 µ m의 파장을 사용 하 여 약 400 µ m의 초점에 광속 허리를 제공 합니다. 이 기술을 구현할 때 것도 실용적인 이유로 L1과 초점 사이 더 많은 공간이 필요 하기 때문에 L1의 초점 거리를 변경 하려면 또는 증가 될 수 있는 융합 각도 측정 볼륨을 짧은 초점 길이 사용 하 여 이루어집니다. 이 경우에, ca. 400 µ m에 초점에 광속 허리를 유지 한다 고 조명을된 빔 일치 하도록 조정 해야 합니다. 그러나 그것은,, 한다 고려해 빔 직경을 증가 하는 광선의 간격을 증가 하지 않고 빔 블록 가장자리에서 산란을 증가할 것 이다. 공간적 해상도 펌프 광속의 중첩에 의해 주어진 다. 여기에 설명 된 설치에 대 한 중복 이므로 6 mm, 측정 볼륨은 0.4 m m의 반경으로 긴, 6 밀리미터의 실린더.
즉-상 일치 PPLN 크리스탈에 달성, 중반-적외선 신호 및 업 컨버전 구멍의 intracavity 필드 해야 될 매우 편광 PPLN 크리스탈에. Intracavity 필드의 양극 화는 자동으로 바로 업 캐비티 건설 되어야. 중반-적외선 레이저 일치 하지 않는 경우 이미이, 한 파장판 중반-적외선 레이저 편광을 출력에 삽입할 수 있습니다.
IR-DFWM 해야 상대적으로 높은 에너지 펄스, 1-4 엠 제이, 0.1 c m-1의 순서에 있는 분자 라인을 해결 하기 위해 충분 한 레이저 선 폭 좁은와 결합. 일반적으로 이러한 조건과 일치 하는 레이저 낮은 반복 속도, 그리고 DFWM와 데이터 수집 일반적으로 레이저의 파장을 검색 하 여 이루어집니다,이 측정 속도 제한. 즉, 비록 그것은 일시적으로 해결된 측정17에 적용도 방법은 가장 쉽게 측정 대상이 시간이 지남에, 변경 되지 않습니다에 적용 됩니다. 또 다른 한계, 흩어져 빛 감도 때문에 입자 또는 측정 볼륨 근처에 완전히 빠져 신호17산란 이벤트를 만들 것입니다. 업 프로세스의 단계 일치 상태는 괴기 하 게 좁은 열 배경 방사선에서 잡음을 제거 하는 데 도움이 하지만 만들어가 검사 넓은 파장 범위 더 PPLN 온도 유지 하도록 조정 해야 합니다 소모는 위상 일치 한 신호 파장
IR-DFWM의 미래 사용 NH3 화 염, 또는 계속 더 실용적인 환경 HCN과 작품의 탐지를 위해 계획 된다. 개선 방법에 대 한 가장 확실 한 방법 더 흩어져 빛에서 백그라운드를 줄이는 것입니다. 이렇게 수 신호를 L2에서 수집 후 신호 광속의 공간 필터링을 사용 하 여.
The authors have nothing to disclose.
유럽 연합에 의해 수평선 2020의 범위 내에서 작가 의해 받은 자금 매우 감사 드립니다. 이 작품은 중간 기술 마리 퀴리 혁신적인 교육 네트워크 [H2020-MSCA-ITN-2014-642661]의 일환으로 실시 됐다.
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 |