Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Opsætningen af upconversion detektoren er vist i figur 1; spejle, linser eller andre optik, der refereres til i protokollen identificeres her eller i diagrammet over opsætningen af IR-DFWM vist i figur 2. Afsnittet protokollen beskæftiger sig hovedsageligt med justering af den optiske opsætning bruges til denne metode, og processen kan pause på ethvert tidspunkt ved at slå alle kørende udstyr. Alle spejle er justeret manuelt. Softwaren bruges her til at kontrollere kameraet og LD blev leveret sammen med upconversion detektor. Brug af softwaren er beskrevet i slutningen af protokollen.
1. Upconversion
- Placer ende spejl af justering hulrum, UH, som angivet i figur 1.
- Fjerne PPLN krystal fra krystal mount.
- Placere en IR-følsomme kort (følsomme på 1.064 nm) i position A, se figur 1.
- Drej vinklen af den kinematiske mount holder UH til den ekstreme holdning i både vandret og lodret retning. Tænd derefter, LD på ca 1/3 af et maksimalt output.
- Juster justering hulrum som følger.
- Ændre vinklen for UH + 0,2 ° i den vandrette retning.
- Feje den lodrette vinkel af UH fra den ene yderlighed til den anden, mens du ser IR-kort til en stråle fra justering hulrum.
- Gentag trin 1.5.1 og 1.5.2 indtil hulrummet starter lasing.
- Når justering hulrummet lasing, skifte mellem justering af vinklen af UH til en højere magt og reducere LD drevet nuværende. LD er dimensioneret til at drive den fuld hulrum, som har meget større tab end justering hulrum. Holde magten hvor strålen forlader UH er let synlige med IR-kort men ikke mere end det.
- Fjern kortet IR.
- Justere vinklen på U2, så justering bom afspejles i center U3 (figur 1).
Bemærk: Stråle fra justering hulrum bør ramme U2 i midten. - Justere vinklen på U3, så strålen fortsat U4, U5 og U6 og afspejles fra U6 til U7.
- Strålen skal passere gennem PPLN mount i højde med midten af kanaler PPLN-krystal, og det skal indtaste krystal vinkelret på overfladen. Bruge U2 til at rette højde og vinkel, mens du justerer U3 for at holde strålen niveau og centreret gennem hullerne x og y.
- Fjerne vinduet germanium og placere IR kort bag U7, således at en IR fjernlys forlader hulrummet vil ramme af kortet, og fluorescens vil være synlige for den person tilpasse hulrummet.
Bemærk: Justering bom vil nu passerer gennem PPLN mount og ramte U7. - Justere vinklen på U7, således at refleksion fra U7 passerer tilbage langs stien til justering bom. Mens du justerer vinklen på U7, hold øje med en stråle på kortet IR. Når fjernlys ses, justere vinklen på U7 til at maksimere output.
- Mount PPLN i mount. Sørg for mount er placeret således at strålen går gennem en af kanalerne i krystal.
- Fortsætte med substep (skridt 1.13.1, 1.13.2 eller 1.13.3) matchende den nuværende situation.
- Hvis en IR strålen er stadig synlige spændende U7, justere U7 for at maksimere output, og fortsætte med næste trin.
- Hvis IR fjernlys spændende U7 er ikke længere synlig, øge LD aktuelle til 1/3 af den maksimale output, og tjekke hvis IR fjernlys kan ses. Hvis en stråle er synlig, gå til trin 1.13.1; Ellers skal du gå til trin 1.13.3.
- Reducere den nuværende LD til det tidligere niveau og sporing guide stråle til at se, om den passerer gennem PPLN i midten af en af kanalerne. Hvis det ikke sker, Gentag fra trin 1.7, men med PPLN i mount.
- Slå fra LD, fjerne UH og vedhæfte LP750 filter på stilling B (Se figur 1).
- Placer wattmeteret bag U7 men forlade rummet for at kontrollere stråle med en IR-kort. Drej på LD på fuld kraft.
- Hvis ingen signal ses på wattmeteret, foretage lille vinkel ændringer U7, mens du ser et signal på wattmeteret. Hvis et signal er fundet, fortsætte til næste trin; ellers, vende tilbage til trin 1.1.
- Optimere hulrum justering ved at justere vinklerne af U2 og U7 til at maksimere magt, mens du bruger en high-power IR-kort til at kontrollere, at hulrummet kører i den grundlæggende Gaussisk tilstand.
Bemærk: Mens det måske være muligt at få højere magt i en højere orden tilstand, det er afgørende for omdannelseseffektiviteten, laseren er kører i grundlæggende tilstand. - Hvis hulrummet ikke er kører i tilstanden grundlæggende, vil det løb i en højere orden tilstand, hvor flere fliger er synlige på kortet IR. Slå U7, så lapper bringes tættere sammen på kortet IR indtil de flette.
- Optage effekt på U7. Brug dette og fremsendelse af U7 til at beregne feltet intracavity. Sammenligne denne værdi til kalibreringskurven i figur 6.
- Når hulrummet er blevet optimeret, skal du fjerne filteret LP750 og vedhæfte vinduet germanium.
2. IR-DFWM justering
Bemærk: Se figur 2 for et diagram af opsætningen af DFWM.
- Juster HeNe laserstråle (guide strålen) med M3 og M4 at ramme L1 i centrum, vil vandret fra M4 L1.
- Indsæt BOXCARS plade 1 på en 45° vinkel beam (lodret retning) og sikre strålen går gennem, producerer to output bjælker.
- Indsæt BOXCARS plade 2 i en 45° vinkel til bjælker (vandret retning) og sikre strålen går gennem, producerer fire output bjælker. Justere vinklerne af pladerne, så bjælker er fordelt som hjørner i en firkant.
- Justere placeringen af L1, indtil bjælkerne er jævnt fordelt rundt om midten af linsen.
- Efterlad signal stråle, som vil blive genereret langs stien til strålen blokeret af beam blok, ublokerede for nu, så det kan bruges til at justere resten af opsætningen. Placer iris, så det blokerer tre pumpe bjælker men tillader den fjerde stråle, signal stråle, at passere igennem.
- Juster L2, så signalet-stråle er kollimeret. Dette skal gøres ved hjælp af brændvidder ved bølgelængden af det pulserende laser og ikke ved besigtigelse, som brændvidder vil være forskellige for bølgelængde guide stråle og midten af IR.
- Placer M5 og M6, så guide strålen er centreret på indtastningsvinduet upconversion detektor og vinkelret på input-vinduet.
- Placer L3 én brændvidde optisk afstand fra midten af PPLN. Tage hensyn til brydning af vinduet germanium, hulrum spejl og PPLN sig selv.
- Opsætning af modulet upconversion og aktivere det (Se afsnit 1).
- Fjerne vinduet germanium af upconversion detektor. Dette vil tillade en 1064 stråle at afslutte upconversion modul.
- Overlap HeNe laserstråle og 1064 stråle fra upconversion detektoren ved hjælp af M6 til at flytte 1064 stråle på signal stråle, så de overlapper på L2, og ved hjælp af M5 for at flytte guide stråle på 1064 stråle på L3. Skifte mellem de to spejle indtil guide strålen og 1064 følger den samme vej.
- Vedhæfte vinduet germanium.
- Placer flere ND filtre i strålegangen, foran upconversion detektor. Tage stor omhu aldrig lade en unattenuated stråle fra den pulserende laser til upconversion detektoren, som den høje energi vil sandsynligvis skade detektoren.
- Tænd den pulserende laser og sikre den kører stabilt og på en passende energi pr. puls.
- Overlap de pulserende laser og guide stråle som følger.
- Justere vinklen på M1, indtil den pulserende laser overlapper guide stråle på beam combiner (M2).
- Justere vinklen på M2, således at den pulserende laser afspejles i formering retning af guide stråle.
- Kontroller, at bjælkerne er overlappende på beam combiner og i en afstand på 1 m, 2 m og 3 m.
- Find focal point af strålerne efter L1. Placer gasflow eller flamme skal måles, således at målepunkt er på focal point af strålerne.
- Tilslut trigger signal fra den pulserende laser til upconversion detektor til tid gate påvisning. Hvis forsinkelsen og gate tid ikke kendes, starter med en lang varighed af tid gate og indsnævre når signalet er fundet.
- Søg setup, især BOXCARS pladerne, for vildfarne refleksioner og sikre, at de er blokeret.
- Optimere tilpasningen af signal stråle i upconversion detektor som følger.
- Hvis et signal er synligt på detektoren, justere M5 og M6 for at maksimere signalet.
- Hvis ingen signal er synligt på detektoren, reducere ND filtrering af en størrelsesorden. Gentag indtil et signal er set.
- Hvis signalet på detektoren er mættet, øge ND filtrering af en størrelsesorden. Gentag, indtil signalet er ikke længere mættet.
- Gå gennem skridt 2.19.1-2.19.3 indtil signalet kan ikke længere øges ved at justere M5 og M6.
- Placer beam blok, så det blokerer signalet stråle, som angivet i figur 2. Fjern derefter ND-filtre.
- Justere placeringen af beam blok til at reducere enhver spredning (baggrundsstøj) set på detektoren. Tage stor forsigtighed for ikke at unblock strålen ved et uheld og udsætte detektor for direkte lys fra den pulserende laser.
- Forberede gasflow eller flamme skal måles. Derefter, scanne den pulserende laser på tværs af bølgelængdeområdet af interesse, mens du optager signal fra detektoren. Dette vil generere et spektrum matchende gas sammensætning på overlapningen af bjælker.
3. laser Diode Software
- Køre LabVIEW program AuroraOne control.vi.
- Klik på knappen Laser TEC aktiverer til positionen på og klikke på RW/TW sikkerhed knap off.
- Indstille laser nuværende ved at angive den ønskede værdi i microwatts i feltet TA sætpunktet . At indtaste en ny værdi, mens laseren kører vil justere aktuelt.
- Klik på knappen TA aktiverer til positionen på at vende laser dioden aktuelle på.
- Slukke laser dioden ved at klikke på den TA aktiverer og Laser TEC aktiverer til off -position.
4. id'er udvikling billedsystemer
- Køre LabVIEW program UpconversionControl.vi.
- Under fanen Indstillinger, skal du indstille lukkertiden til 8 µs ved at skrive værdien i feltet mærket Eksponeringstid (sek).
- Under fanen Indstillinger, angive typen lukkeren til Global i feltet mærket id'er lukkeren.
- Under fanen DBGangivet typen udløser til Lo_Hi i feltet id'er udløser .
- Under fanen DBG2skal du indstille udløse forsinkelse i feltet mærket Id'er udløse forsinkelse (µs). Dette vil afhænge af forsinkelse mellem udløser puls og laser puls fra laseren.
- Under fanen Indstillinger, skal du angive den off sæt x og off sæt y til 480 pixel og den bredde og højde til 96 pixel.
- Under fanen Indstillinger, Indstil billedfrekvensen til 0 i feltet Framerate . Dette sætter kameraet til at tage et billede pr. trigger signal.
- Tænd kameraet ved at trykke på knappen Starter erhvervelse .
- Når et signal indtaster upconversion detektor, vil signalet være synligt som et lyspunkt i midten af billedet vist til højre i LabVIEW program. Brug funktionen Rect på venstre bar ved siden af billedet til at tegne en 6 x 6 pixel rektangel rundt om signalet.
- Se den gennemsnitlige intensitet fra de markerede pixel som funktion af tiden under fanen Oversigt . Hvis det er nødvendigt, kan grafen ryddes ved at højreklikke på den og vælge Fjern.
- Tryk på knappen Stop erhvervelse at stoppe erhvervelse af nye billeder fra kameraet.
- Eksportere data ved at højreklikke på intensitet plot, Vælg kopiere data til Udklipsholderog indsætte dataene i en .txt -fil.
- Slukke kameraet og kontrol programmet ved at trykke på knappen Luk .
Representative Results
Figur 3 viser signalet fra forskellige koncentrationer af HCN i N2, gennemsnit over tre scanninger for hver koncentration. Blandingen blev udarbejdet ved at blande 300 ppm HCN i N2 med ren N2 bruger masse flow controllere og varme det til 843 K. Den centrale top er P(20) linjen af ν1 vibrationelle band af HCN. Indsatser i figur 3 viser spidsværdien af signal fra denne linje for hver koncentration, med en andengrads polynomium passer. Koncentration afhængighed af signalet kan beskrives af S = ax2 + b, hvor S er signalet og a og b er montering af konstanter17. Absolut koncentration målinger i en flamme kræver en kalibrering måling som vist her, ved den kendte, temperatur til at bestemme den konstant en. Temperaturen i måling volumen i flammen skal også måles som en konstant, en skalaer med temperatur; en fuld diskussion af dette er allerede blevet offentliggjort17. Perioden poling anvendes til denne måling var 21,5 µm, med en krystal temperatur af 104.5 ° C.
Figur 4 viser rå data fra en forblandet flamme. Det viser fem på hinanden følgende scanninger over den vifte 3229.5-3232 cm-1, hver scanning tager ca 65 s. Disse dækker tre grupper af vandledninger, anvendes til temperaturmålinger. Ideelt, når du arbejder med et stabilt system, hver scanning over samme interval bør være identiske, som den koncentration, tryk og temperatur skal være uændret. Intensiteten af de linjer set her ændringer drastisk fra scan til scanning, hvilket er fordi laser puls tilstand og energi ikke er stabil fra scan til scanning. Resultater som disse er ubrugelig, medmindre laser puls energi er blevet registreret og kan bruges til at sortere målinger med tilstrækkelig laser puls energi fra resten. Perioden poling anvendes til denne måling var 21,5 µm, med en krystal temperatur på 123 ° C.
Baggrund spredning ses i figur 4, fordi en ND2 filter blev brugt til at reducere signalet, at undgå mætte detektoren. For svage signaler konstateredes det, at baggrunden spredning er på rækkefølgen af 5 pJ pr. puls, som svarer til det signal, der er genereret fra P(20) linjen af ν1 vibrationelle band 100 ppm HCN ved stuetemperatur.
Figur 1: Diagram over upconversion detektor. U1-U7 og UH er spejle, meget reflekterende (HR)-belagt for 1.064 nm. Alle spejle er fly, undtagen U3, som har en 200 mm krumningsradius. Spejle U1-U5 blev lavet til at være Transmissiv ved bølgelængden af laserdiode, til at sikre, at LD lys ikke når detektoren. U6 er Transmissiv for upconverted signal, 650-1.050 nm. U7 er Transmissiv til midten af IR-signalet. UH er 95% reflekterende 1,064 nm og 5% Transmissiv. Stilængde fra U1 til U3 er 156 mm, og stilængde fra U3 til U7 er 202 mm. L4 og L5 er achromatic linser med 60 mm og 75 mm brændvidder, henholdsvis. Begge er gennemsigtig for 650-1.050 nm. Kameraet bruges som detektor placeres 75 mm fra L5. Feltet hulrum er lodret polariseret. PPLN bruges her har afstemninger perioder af 21.0 µm, 21,5 µm, 22,0 µm, 22,5 mm og 23,0 µm, og krystal længde er 20 mm. Den synlige og nær-infrarød detektor bruges er en UI-5240CP-NIR-GL kamera fra id'er Imaging udviklingssystemer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Diagram af opsætningen af DFWM. M1 er en dielektrisk spejl meget reflekterende (HR) ved bølgelængden af det pulserende laser. M2 er en dielektrisk spejl belagt for at være HR ved bølgelængden af det pulserende laser og Transmissiv for HeNe guide stråle. M3-M6 er beskyttet guld spejle. B.C.1 og B.C.2 er BOXCARS plader 1 og 2. L1 er en 500 mm brændvidde CaF2 linse med en 5,1 cm diameter. L2 er en 500 mm brændvidde CaF2 linse med en diameter på 2,54 cm. L3 er en 100 mm brændvidde CaF2 linse. Den pulserende laser er lodret polariseret. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Signal fra forskellige koncentrationer af HCN i N2. Den centrale top er P(20) linjen af ν1 vibrationelle band af HCN. Indsatsen viser peak signal fra hver koncentration (diamond markører), med en anden-ordens polynomium passer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 : Fem på hinanden følgende scanninger af ca. 65 s i varighed pr scan, skakmat en forblandet flamme. Laseren blev scannet over rækken af 3229.5-3232 cm-1. Toppe ses her er signal fra flere samlinger af H2O overgang linjer. Signalet blev reduceret med en ND1 og et ND0.6 filter, for at undgå mætte detektoren. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: A BOXCARS plade set fra siden. Det er en blok af gennemsigtigt materiale. I input side, er det belagt med en antireflective belægning på halvdelen af overfladen. Laserstrålen ind her og når output side, hvor halvdelen overflade er belagt for en 50% transmission. Lyset reflekteres internt i pladen derefter brydes til del af input side belagt for høj refleksion og kommer til udtryk gennem den øverste halvdel af output side. Dette opdeler en stråle i to parallelle bjælker. Den samme effekt kan opnås med en stråledeler og et spejl, men en stråledeler ville have nogle refleksion fra den bageste overflade, hvilket kunne øge baggrundsstøjen. Også, BOXCARS pladen kræver ingen justering for de to bjælker produceret er parallelle. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Intracavity magt som en funktion af pumpe laserdiode aktuelle for modulet upconversion. Hvert punkt er et gennemsnit af den målte fra tre separate alignments af hulrummet effekt og fejllinjer angiver spredningen mellem de separate tilpasninger. Afvigelsen fra den ideelle laser opførsel er forårsaget af termiske effekter i laser krystal og PPLN krystal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
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.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
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].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , Lund University. Lund, Sweden. Division of Combustion Physics, Department of Physics (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.
- 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. , In Press (2018).
- Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P.
