Her præsenterer vi en protokol for at udføre følsom, rumligt løst gas spektroskopi i regionen midten infrarød ved hjælp af degenereret fire-bølge blanding kombineret med upconversion påvisning.
Vi præsenterer en protokol til at udføre gas spektroskopi ved hjælp af infrarød degenererede fire-bølge blanding (IR-DFWM), kvantitativ påvisning af gas arter i området ppm-til-én-procent. Hovedformålet med metoden er rumligt løst påvisning af lav-koncentration arter, som har ingen overgange i det synlige eller nær-infrarøde spektrale interval, der kunne bruges til påvisning. IR-DFWM er en nonintrusive metode, hvilket er en stor fordel i forbrænding forskning, nemlig indlagde en sonde ind i en flamme kan ændre det drastisk. IR-DFWM er kombineret med upconversion detektion. Denne opdagelse ordning bruger sum-frekvens generation til at flytte IR-DFWM signal fra midten af IR til det nær-infrarøde område, at drage fordel af de højerestående larmen Karakteristik af silicium-baserede detektorer. Denne proces også afviser de fleste af de termiske baggrundsstråling. Protokollen præsenteres her fokuserer på den korrekt justering af IR-DFWM optik og om, hvordan du tilslutter en intracavity upconversion detection system.
IR-DFWM giver mulighed for at måle koncentrationer af IR aktive arter ned til den ppm niveau1, med rumlige opløsning. IR-DFWM har flere fordele, der gør det til et attraktivt teknik til forbrænding forskning. Flammerne kan ændres drastisk ved indsættelse af sonder, men IR-DFWM er nonintrusive. Det har en rumlig opløsning, så artens koncentrationer på forskellige punkter i flamme struktur kan måles. Det giver et sammenhængende signal, der kan isoleres fra den termiske emission af flammen. Derudover er DFWM mindre følsomme over for kollision miljø end eksempelvis laser-induceret fluorescens (LIF), som kan være svært at afgøre i en flamme. Teknikken giver også adgang til molekylære arter, der er IR aktive men mangler synligt eller nær-synlige overgange, der kan bruges til at måle dem med andre teknikker.
Mens DFWM har en række fordele, kan alternative teknikker være at foretrække, hvis en eller flere af disse fordele ikke er nødvendig. Hvis rumlige opløsning ikke er nødvendig, vil absorption-baserede teknikker være både enklere og mere præcis. Hvis den pågældende molekylære art har overgange i regionen synligt eller nær-infrarøde, være LIF at foretrække, da LIF kan give rumligt løst oplysninger fra et fly i stedet for bare et enkelt punkt. Under de rette betingelser, kan ikke-lineære metoder, såsom DFWM og PS, også bruges til single-shot 2D målinger2. Signalet fra disse ikke-lineære metoder er proportional med sonden stråle intensitet kubik, og som pumpe strålen skal udvides til at omfatte området for 2D-måling, dette kræver enten meget høj puls energier eller en kombination af høj tredje ordens modtagelighed, høje koncentrationer, og lav baggrundsstøj arbejde. Derfor, det for det meste afhænger af den molekylære arter om dette er en mulighed.
I en mere direkte konkurrence med DFWM, der er de andre fire-bølge-blande-baserede spektroskopiske teknikker: sammenhængende anti-Stokes Raman spektroskopi (biler), laser-induceret rist spektroskopi (LIGS) og polarisering spektroskopi (PS). BILER er en nå-hævdvunden teknik til måling af temperatur og store arter i forbrænding miljøer. Det mangler imidlertid følsomhed for at opdage mindre arter, som detektionsgrænsen er normalt ca. 1%2. PS og DFWM har tidligere vist sig at have lignende følsomhed og registrering begrænser3; dog har signal-støj-forholdet for DFWM vist sig at øge med faktor 500 når kombineret med upconversion påvisning4, mens PS har vist kun 64-fold stigning5. LIGS har fordelen, at inducere en rist, ved hjælp af midten af IR lys, men måler effekten af brydning af en sonde laser af denne rist, og denne sonde laser bølgelængde kan vælges frit6. Bølgelængden af sonden laser kan derfor, i den synlige region, hvor hurtig, støjsvag silicium-baserede detektorer er tilgængelige. Dette er den samme fordel, der opnås ved hjælp af upconversion. LIGS har den ulempe, at det er meget følsomme over for kollision2, hvilket betyder, at koncentrationen af store gas arter skal være kendt for præcise koncentration eller temperaturmålinger med LIGS. Hvis dette spørgsmål er overvundet, LIGS har en lignende følsomhed til både DFWM og PS ved atmosfærisk tryk3, men hvor LIGS signal stiger med stigende pres, signalet fra DFWM og PS stiger ved lavere tryk, hvilket betyder, at den foretrukne teknik vil afhænge af pres miljø.
Upconversion opdagelse er teknikken for at konvertere et signal fra lange bølgelængder til kortere dem ved hjælp af sum-frekvens generation. Fordelen ved dette er, at detektorer i det synlige eller nær-infrarøde område har lavere støj og en højere følsomhed end deres kolleger i midten af IR-regionen. Det blev først undersøgt fem årtier siden7, men så meget lidt opmærksomhed og bruge siden da, på grund af lav konverteringsfrekvens effektivitetsgevinster. Men med fremskridt i produktionsteknikker for periodisk polariseret lithium niobate (PPLN) og andre materialer med høj nonlinear koefficienter, samt den øgede tilgængelighed af high-power laserdioder (LDs), teknikken har tiltrukket steg opmærksomhed i det sidste årti, med programmer som dækker områder som midt-infrarøde single-photon detection8,9,10,11, IR lidar12,13, og hyperspectral Imaging14,15 og mikroskopi16. Den største fordel ved kombinere upconversion detection med IR-DFWM er, at betingelsen fase-match har en smal kantede og spektral accept band, som stærkt diskriminerer de termiske baggrund, giver mulighed for påvisning af svage signaler.
Præcisionen af justeringen af den pulserende laserstråle er kritisk at følsomheden af metoden. Særlig forsigtig skal træffes til at sikre, at bjælkerne er adskilt af lige stor afstand efter BOXCARS plader og at bjælkerne er ligeligt fordelt omkring center L1. Afvigelse fra dette vil føre til en betydelig nedgang i signal intensitet og derfor følsomhed. Ligeledes skal pleje tages, upconversion modul hulrum kører i den grundlæggende tilstand og at signalet-stråle er justeret for en optimal overlapning med upconversion pumpe. Signalet kan nemt blive reduceret med én eller to størrelsesordener hvis upconversion hulrum kører i en forkert tilstand eller signal stråle overlapning med feltet hulrum er suboptimal. Dette omfatter placering L3 med millimeter præcision, så signalet stråle omdrejningspunktet er midt i PPLN Krystallen. Med en optimal overlapning og 80 W hulrum magt er en 6% kvante effektivitet af SFG fase muligt. Med detektor og bølgelængde bruges her, er total opdagelse effektivitet 3%. Den maksimale intracavity magt, der kan nås er 120 W, men 80 W kan opnås pålideligt. Omdannelseseffektiviteten er proportional med intracavity magt, så signaler registreres med en anderledes intracavity magt kan sammenlignes, hvis intracavity magt er registreret.
Den vigtigste begrænsende faktor for følsomhed af denne metode er baggrunden spredning, som drukner svage signaler. For at begrænse denne spredning, er det kritisk, at optikken er holdes støvfri, især linse L1. Også skal udvises forsigtighed at placeringen af beam blok minimerer baggrundsstøjen. Beam blok skal placeres på en xy-fase, således at det kan flyttes på en kontrolleret måde i både det vandrette og lodrette plan, vinkelret på bjælkerne.
Scanning drøftet her er gjort med PPLN ved en konstant temperatur. Omdannelseseffektiviteten er proportional med sinc (ΔkL/2π)2, hvor Δk er fase uoverensstemmelse og L er krystal længden. Fuld bredde halv maksimum (FWHM) af denne funktion er båndbredden af detektoren ved en konstant temperatur på PPLN krystal. FWHM af denne funktion ændrer sig med krystal temperatur og bølgelængden men er generelt på rækkefølgen af 5 cm-1 i midten-IR, for en 20 mm lange krystal. Undtagelsen er nær 4.200 nm, hvor bredde øger kraftigt18.
Ingen skalering optik er medtaget i opsætning af diagrammet i figur 2, fordi der er en række spørgsmål at overveje før du beslutter hvad, hvis nogen skalering er nødvendig. For konfigurationen som beskrevet her, er pulserende laserstrålen kollimeret på en lysbundtets diameter af ca. 2 mm, da den nåede L1. Dette giver en stråle taljen på omdrejningspunktet for ca 400 µm, ved hjælp af en bølgelængde på 3 µm. Når du implementerer denne teknik, kan det være ønskeligt at ændre brændvidden af L1, enten fordi mere plads er nødvendigt mellem L1 og omdrejningspunktet af praktiske årsager, eller at forkorte måling volumen ved at øge de vinkler, konvergens, der kan være gjort ved hjælp af en kortere brændvidde. I dette tilfælde beam taljen på omdrejningspunkt bør holdes på ca. 400 µm og kollimeres strålen skal skaleres for at matche. Det bør dog, tages i betragtning at øge lysbundtets diameter uden at øge afstanden mellem bjælkerne vil øge spredning fra beam blok kanter. Den rumlige opløsning er givet af overlapningen af pumpe bjælker. Konfigurationen som beskrevet her, er overlapningen 6 mm lang, så måling volumen er en cylinder med 6 mm lang, med en radius på 0,4 mm.
For at opnå en kvasi-faser-matching i PPLN krystal, skal midten af IR-signalet og feltet intracavity upconversion hulrummet være ekstraordinært polariseret i PPLN krystal. Upconversion hulrummet skal bygges, så der automatisk højre polariseringen af feltet intracavity. Hvis midten af IR laser ikke svarer allerede dette, kan en waveplate indsættes på midten af IR laser output til at vende polariseringen.
IR-DFWM kræver relativt høj energi pulser, 1-4 mJ, kombineret med en smal nok laser linewidth for at løse molekylære linjer, som er på rækkefølgen af 0,1 cm-1. Lasere, der opfylder disse kriterier generelt har lav gentagelse satser, og som dataopsamling med DFWM er generelt gjort ved at scanne bølgelængden af laser, dette begrænser målinger hastighed. Dette betyder, at metoden anvendes lettest at målinger, hvor emnet ikke ændres over tid, selv om det har også været anvendt til tidsligt løst målinger17. En anden begrænsning er, at på grund af følsomhed over for spredt lys partikler i eller i nærheden af måling volumen vil skabe spredning begivenheder, der helt drukne signal17. Fase-match tilstand upconversion proces er spektralt smalle, som hjælper med at fjerne støj fra den termiske baggrundsstråling, men det gør scanninger over brede bølgelængde intervaller mere tidskrævende som PPLN temperatur skal være indstillet til at holde den signal bølgelængde fase-matchede.
Fremtidige anvendelser af IR-DFWM er planlagt til påvisning af NH3 i flammer, eller at fortsætte arbejdet med HCN i mere konkrete miljøer. Den mest oplagte midler til forbedring af metoden, der er for yderligere at reducere baggrunden fra spredt lys. Dette kan gøres ved hjælp af rumlige filtrering af signal stråle efter signalet er indsamlet af L2.
The authors have nothing to disclose.
Finansiering modtaget af forfatterne er omfattet af Horisont 2020 som den Europæiske Union er højt værdsat. Dette arbejde blev gennemført som led i midten TECH Marie Curie innovative uddannelsesnetværk [H2020-MSCA-ITN-2014-642661].
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 |