Summary
Her presenterer vi en protokoll for å utføre sensitive, romlig løst gass spektroskopi i regionen midt infrarød, bruker degenerert fire-bølge blande kombinert med upconversion gjenkjenning.
Abstract
Vi presenterer en protokoll for å utføre gass spektroskopi bruke infrarød degenerert fire-bølge blande (IR-DFWM), for kvantitative påvisning av gass arter i området ppm-til-én-prosent. Hovedhensikten med metoden er romlig løst påvisning av lav-konsentrasjon arter, som har ingen overganger i synlige eller nær-IR spectral området som kan brukes for gjenkjenning. IR-DFWM er en behagelig metode, som er en stor fordel i forbrenning forskning, som setter inn en sonde inn i en flamme kan endres drastisk. IR-DFWM kombineres med upconversion gjenkjenning. Denne oppdagelsen ordningen bruker Summer-frekvens generasjon flytte IR-DFWM signalet fra midt-IR til regionen nær-IR, utnytte overordnet bråk kjennetegner silikonbaserte detektorer. Denne prosessen avviser også de fleste av termisk bakgrunnsstråling. Fokus for protokollen presenteres her er det lated oppstilling av IR-DFWM optikk og hvordan justere en intracavity upconversion detection system.
Introduction
IR-DFWM gir muligheten til å måle konsentrasjoner av IR aktiv arter til ppm nivå1, med romlig oppløsning. IR-DFWM har flere fordeler som gjør det en attraktiv teknikk for forbrenning forskning. Flammene kan endres drastisk ved innsetting av sonder, men IR-DFWM er behagelig. Den har en romlig oppløsning, slik Art konsentrasjoner på forskjellige punkter i flammen strukturen kan måles. Det gir en sammenhengende signal, som kan isoleres fra termisk utslipp av flammen. I tillegg er DFWM mindre sensitiv for kollisjon miljøet enn, for eksempel laser-indusert fluorescens (LIF), som kan være vanskelig å fastslå i en flamme. Teknikken gir også tilgang til molekylær arter som er IR aktiv, men mangel synlig eller nær synlig overganger som kan brukes til å måle dem med andre teknikker.
Mens DFWM har en rekke fordeler, kan alternativ teknikker være å foretrekke hvis ett eller flere av disse fordelene ikke er nødvendig. Hvis romlig oppløsning ikke er nødvendig, blir absorpsjon-baserte teknikker både enklere og mer nøyaktig. Molekylær arter i spørsmålet har overganger i regionen synlige eller nær-IR, kan LIF være å foretrekke, som LIF kan gi romlig løst informasjon fra et fly i stedet for bare et enkelt punkt. Under de rette forholdene, kan lineære metoder, for eksempel DFWM og PS, også brukes for ett-shot 2D mål2. Signalet av disse ikke-lineære metodene er proporsjonal med sonde strålen intensiteten cubed, og som pumpen strålen må være utvidet til å dekke området 2D målingen, dette krever høy puls energier eller en kombinasjon av høy tredje-ordens mottakelighet, høye konsentrasjoner, og lav bakgrunnsstøy å arbeide. Derfor avhenger det meste molekylær arter om dette er en mulighet.
I en mer direkte konkurranse med DFWM, det er de andre fire-wave-blande-baserte spektroskopiske teknikkene: sammenhengende anti-Stokes Raman spektroskopi (biler), laser-indusert rist spektroskopi (LIGS) og polarisering spektroskopi (PS). BILER er en veletablert teknikk for måling av temperatur og store arter i forbrenning miljøer. Imidlertid, den mangler følsomheten å oppdage mindre arter, som Deteksjonsgrensen er vanligvis omtrent 1%2. PS og DFWM har tidligere vist seg å ha lignende følsomhet og gjenkjenning begrenser3; signal-til-støy forholdet mellom DFWM har imidlertid vist seg å øke med faktor 500 kombinert med upconversion oppdagelsen4, mens PS har vist bare en 64-fold økning5. LIGS har fordelen av å indusere en rist, ved hjelp av midt-IR lys, men måler effekten av refraksjonen som oppstår en sonde laser av denne rist, og bølgelengden til dette sonde laser kan velges fritt6. Bølgelengden av sonden laser kan derfor være i synlig-regionen, hvor rask, lav støy silikonbaserte detektorer er tilgjengelig. Dette er den samme fordelen at ved hjelp av upconversion. LIGS har ulempen at det er svært følsomme for kollisjon2, som betyr at konsentrasjonen av store gass arter må være kjent for presis konsentrasjon eller temperaturmålinger med LIGS. Hvis problemet er overvunnet, LIGS har en lignende følsomhet for både DFWM og PS på atmosfærisk trykk3, men hvor LIGS signal øker med økende press, signalet fra DFWM og PS øker på lavere press, som betyr den foretrukne teknikken vil avhenge press miljøet.
Upconversion oppdagelsen er teknikken med å konvertere et signal fra lange bølgelengder kortere seg ved hjelp av Summer-frekvens generasjon. Fordelen med dette er at detektorer i synlige eller nær-infrarøde området har lavere støy og en høyere følsomhet enn sine kolleger i regionen midt-IR. Dette ble først undersøkt fem tiår siden7, men så lite oppmerksomhet og bruke siden da, på grunn av lav konvertering effektiviteten. Men med fremskritt innen produksjonsteknikker for periodisk poled lithium økt niobate (PPLN) og andre materialer med høy lineære koeffisienter, samt økt tilgjengelighet av høy makt laserdioder (LDs), teknikken har fått oppmerksomhet i det siste tiåret, med programmer som dekker områder som midt-IR single-fotonet oppdagelsen8,9,10,11, IR lidar12,13og hyperspektral bildebehandling14,15 og mikroskopi16. Den største fordelen med å kombinere upconversion oppdagelsen med IR-DFWM er at betingelsen fase-match har en smal kantete og spectral aksept band, som diskriminerer sterkt mot termisk bakgrunnen, slik at påvisning av svakere signaler.
Protocol
Oppsettet av upconversion detektoren er vist i figur 1. speil linser og annen optikk i protokollen identifiseres her eller i diagrammet for IR-DFWM vist i figur 2. Delen protokollen omhandler hovedsakelig justere optisk oppsettet brukes for denne metoden, og prosessen kan pauses når som helst ved å slå av alle kjører utstyr. Alle speil justeres manuelt. Programvaren brukes her til å styre kameraet og LD ble levert sammen med upconversion detektoren. Bruk av programvaren er beskrevet på slutten av protokollen.
1. Upconversion
- Plass slutten speilet av justering hulrom, UH, som vist i figur 1.
- Fjern PPLN krystall fra crystal fjellet.
- Plassere et IR-sensitive kort (følsom på 1,064 nm) på posisjon A, se figur 1.
- Slå vinkelen på Kinematisk mount holde UH ekstreme plasseringen i både vannrett og loddrett retning. Deretter aktivere LD på ca 1/3 av maksimal effekt.
- Justere justering hulrom som følger.
- Endre UH +0.2 ° i horisontal retning.
- Feie den vertikale vinkelen av UH fra den ene ytterligheten til den andre, mens du ser IR kortet for en bjelke fra justering hulrom.
- Gjenta trinn 1.5.1 og 1.5.2 til hulrommet starter lasing.
- Når justering hulrommet er lasing, bytte mellom justere vinkelen på UH for en høyere makt og redusere LD stasjonen gjeldende. LD er dimensjonert for å kjøre full hulrom, som har mye høyere tap enn justering hulrom. Holde makten der strålen forlate UH er lett synlig med IR-kortet, men ikke mer enn.
- Fjerne IR-kortet.
- Justere vinkelen på U2 så justering strålen gjenspeiles i midten av U3 (figur 1).
Merk: At strålen fra justering hulrommet bør treffe U2 i midten. - Justere vinkelen på U3 slik at strålen fortsetter U4, U5 og U6 og reflekteres fra U6 til U7.
- Strålen må passere gjennom PPLN fjellet på høyden av midten av kanaler for PPLN krystall, og det må angi krystall vinkelrett på overflaten. Bruke U2 til riktig høyde og vinkel, mens du justerer U3 for å holde strålen nivå og midtstilt gjennom hullene x og y.
- Fjern vinduet germanium og plasser IR kortet bak U7, slik at en IR stråle forlate hulrommet treffes kortet, og fluorescensen blir synlig for personen justere hulrom.
Merk: Justering strålen vil nå være bestått gjennom PPLN montere og traff U7. - Justere vinkelen på U7, slik at refleksjon fra U7 passerer tilbake langs banen for justering strålen. Mens du justerer vinkelen på U7, se etter en stråle på IR kortet. Når en bjelke er sett, justere vinkelen på U7 å maksimere produksjonen.
- Montere PPLN i fjellet. Kontroller at fjellet er plassert slik at strålen går gjennom en av kanalene i krystallklart.
- Fortsette med substep (trinn 1.13.1, 1.13.2 eller 1.13.3) passer dagens situasjon.
- Hvis en IR strålen er fremdeles synlig avslutter U7, justere U7 for å maksimere resultatet og fortsetter med neste trinn.
- Hvis IR strålen avslutter U7 er ikke lenger synlig, øke LD strøm til 1/3 av maksimal effekt og sjekk hvis IR strålen kan sees. Hvis en synlig, gå til trinn 1.13.1; ellers, gå til trinn 1.13.3.
- Redusere LD gjeldende til forrige nivå og sporing guide strålen å se om den passerer PPLN i sentrum av en av kanalene. Hvis ikke, gjentar du fra trinn 1.7, men med PPLN i fjellet.
- Deaktivere LD, fjerne UH og fest LP750 filteret på plasseringen B (se figur 1).
- Plasser makt meter bak U7 men la kan sjekke strålen med en IR-kort. Deretter aktivere LD med full kraft.
- Hvis ingen signal er sett på makt meter, endre liten vinkel U7, mens du ser etter et signal på strømmåleren. Hvis et signal er funnet, Fortsett til neste trinn; ellers, gå tilbake til trinn 1.1.
- Optimalisere hulrom justeringen ved å justere vinklene for U2 og U7 makt, mens en høyeffekts IR-kort til å kontrollere at hulrommet kjører i grunnleggende Gaussian modus.
Merk: Mens det kan være mulig å få høyere makt i en høyere orden-modus, er det avgjørende for konverteringen effektiviteten som laser kjører i grunnleggende modus. - Hvis hulrom ikke kjører i grunnleggende modus, kjører det i en høyere orden modus der flere lobes er synlige på IR kortet. Slå U7 slik at lobes samles nærmere på kortet for IR til de møtes.
- Registrere utgangseffekt på U7. Bruk dette og overføring av U7 til å beregne feltet intracavity. Sammenlign denne verdien til kalibreringskurven i figur 6.
- Når hulrommet er optimalisert, fjerne LP750 filteret og feste vinduet germanium.
2. IR-DFWM justering
Merk: Se figur 2 for et diagram av DFWM.
- Juster HeNe laserstrålen (guide strålen) med M3 og M4 for å treffe L1 i center skal vannrett fra M4 L1.
- Sette inn BOXCARS plate 1 i 45° vinkel av strålen (loddrett retning) og sikre strålen går gjennom, produsere to utgang bjelker.
- Sett inn BOXCARS plate 2 i 45° vinkel til bjelker (vannrett retning) og sikre strålen går gjennom, produserer fire utgang bjelker. Justere vinklene av platene så bjelker fordeles som hjørnene i en firkant.
- Juster plasseringen av L1 til bjelker fordeles likt rundt sentrum av objektivet.
- La signal strålen, som blir generert langs banen for strålen blokkert av bjelke blokken, ublokkerte for nå, så det kan brukes til å justere resten av oppsettet. Plass iris så det blokkerer tre pumpe bjelker, men lar fjerde strålen, signalet strålen, passerer.
- Juster L2 så signalet strålen er collimated. Dette må gjøres med brennvidder på Bølgelengden av pulsed laser og ikke av visuell inspeksjon, som brennvidder vil være forskjellig for bølgelengden til guide strålen og midten av IR.
- Plass M5 og M6 slik at guide strålen er sentrert i vinduet input upconversion detektor og vinkelrett inndata-vinduet.
- Plass L3 én brennvidde optisk avstand fra sentrum av PPLN. Ta hensyn brytning vinduet germanium, hulrom speilet og PPLN selv.
- Definere modulen upconversion og aktivere den (se avsnitt 1).
- Fjerne vinduet germanium av upconversion detektor. Dette vil gi en 1064 stråle avslutte upconversion modulen.
- Overlappe HeNe laserstrålen og 1064 strålen fra upconversion detektoren ved hjelp av M6 flytte 1064 strålen på signalet strålen slik at de overlapper på L2 og bruke M5 flytte guide bjelken på 1064 strålen på L3. Veksle mellom to speilene til guide strålen og 1064 følger samme bane.
- Koble vinduet germanium.
- Plasser flere ND-filtre i banen bjelke foran upconversion detektoren. Ta stor forsiktighet for å aldri la en unattenuated strålen fra pulserende laseren i upconversion detektoren, høy energi vil sannsynligvis skade detektoren.
- Slå på pulsed laser og sikre det kjører stabilt og en passende energi per puls.
- Overlappe pulsed laser og guide strålen som følger.
- Justere vinkelen på M1 til pulsed laser overlapper guide bjelken på strålen combiner (M2).
- Justere vinkelen på M2 slik at pulsed laser gjenspeiles i retning forplantning guide strålen.
- Kontroller at lyset er overlappende strålen combiner og avstander på 1 m og 2 m 3 m.
- Finn fokus for bjelker etter L1. Plass gasstrømmen eller flamme skal måles slik at måling punkt er det sentrale punktet i bjelker.
- Koble utløser signalet fra pulsed laser til upconversion detektoren til tid gate gjenkjenning. Hvis forsinkelsen og gate gang ikke er kjent, starter med en lang varighet av tid gate og begrense det ned når signalet er funnet.
- Søk stilling, spesielt BOXCARS platene, for villfaren refleksjoner og sikre de er blokkert.
- Optimalisere justering av signal bjelken på upconversion detektoren som følger.
- Hvis et signal er synlig på detektoren, Juster M5 og M6 maksimere signalet.
- Hvis ingen signal vises på detektoren, redusere ND filtrering av en størrelsesorden. Gjenta til et signal er sett.
- Hvis signalet på detektoren er mettet, øke ND filtrering av en størrelsesorden. Gjenta til signalet er ikke lenger mettet.
- Gå gjennom trinnene 2.19.1-2.19.3 til signalet ikke kan økes ved å justere M5 og M6.
- Plass strålen blokken slik at den blokkerer signalet strålen, som vist i figur 2. Deretter Fjern ND-filtre.
- Juster plasseringen av bjelke blokken å redusere noen spredning (bakgrunnsstøy) sett på detektoren. Ta stor forsiktighet for ikke å oppheve strålen uhell og utsette detektoren for direkte lys fra pulsed laser.
- Forberede gasstrømmen eller flamme som skal måles. Deretter skanne pulsed laser over bølgelengdeområde interesse, mens signalet fra detektoren. Dette vil generere et spektrum matchende gass sammensetningen på overlappingen av bjelkene.
3. laser Diode programvare
- LabVIEW programmet AuroraOne control.vikjøres.
- Klikk knappen Laser TEC aktiverer i på -stilling og klikk den RW/TW sikkerhet knapp av.
- Angi laser gjeldende ved å angi ønsket verdi i microwatts i feltet TA settpunkt . Angir en ny verdi mens laser kjører justere gjeldende.
- Klikk TA aktiverer i på -stilling slå laserdiode gjeldende på.
- Slå av laserdiode ved å klikke TA aktiverer og Laser TEC aktiverer til av plasseringene.
4.-IDer som Imaging utvikling systemer
- LabVIEW programmet UpconversionControl.vikjøres.
- Kategorien Innstillingersatt lukkerhastighet til 8 µs ved å skrive inn verdien i feltet Eksponeringstid (sek).
- I kategorien Innstillinger, angi lukkeren til Global i feltet IDer lukkeren.
- Under kategorien DBGsatt utløsertypen til Lo_Hi i feltet IDer utløser .
- I kategorien DBG2angi utløser forsinkelsen i feltet IDer utløser forsinkelse (µs). Dette avhenger av forsinkelsen mellom utløser pulsen og laser pulsen fra laseren.
- I kategorien Innstillinger, kan du angi den utenfor satt x og av satt til 480 piksler og bredden og høyden til 96 piksler.
- I kategorien Innstillinger, Velg bildefrekvensen til 0 i feltet Framerate ; Dette setter kameraet til å ta en ramme per utløser signal.
- Slå på kameraet ved å trykke på knappen Start oppkjøpet .
- Når et signal går inn upconversion detektoren, vil signalet vises som et lyspunkt i bildet som vises til høyre i LabVIEW programmet. Bruk funksjonen Rect på venstre stolpe ved siden av bildet for å tegne et rektangel 6 x 6 piksler rundt signalet.
- Vis gjennomsnittlig intensiteten fra de merkede bildepunktene som en funksjon av tid under Logg -fanen. Om nødvendig kan diagrammet fjernes ved å høyreklikke den og velge fjerne.
- Trykk Stopp oppkjøpet å stoppe oppkjøp av nye bilder fra kameraet.
- Eksportere data ved å høyreklikke intensitet tomten, velg Kopier data til utklippstavlenog lime inn dataene i en txt -fil.
- Slå av kameraet og kontroll programmet ved å trykke knappen slå .
Representative Results
Figur 3 viser signalet fra ulike konsentrasjoner av Blåsyre i N2gjennomsnitt over tre skanner for hver konsentrasjon. Blandingen ble utarbeidet ved å blande 300 ppm Blåsyre i N2 med ren N2 bruker masse flow kontrollerne varme det til 843 K. Den sentrale peak er den P(20) ν1 vibrasjonsmedisin bandet Blåsyre. Rammemargen i Figur 3 viser toppverdien signalet fra denne linjen for hver konsentrasjon, med et annengrads polynom passer. Konsentrasjon avhengighet av signalet kan beskrives ved S = ax2 + b, der S er signalet og en og b er montering konstanter17. Absolutt konsentrasjon mål i en flamme krever en kalibrering måling som vist her, på en kjent temperatur, til å bestemme den konstant en. Temperaturen i måling volumet i flammen må også måles som den konstant en vekter med temperatur; en full diskusjon av dette er allerede publisert17. Poling perioden brukes for målingen var 21,5 µm, med en krystall temperatur på 104.5 ° C.
Figur 4 presenterer rådata fra ferdigblandet flamme. Viser fem påfølgende skanner over det området 3229.5-3232 cm-1, hver skanning tar ca 65 s. Disse dekker tre grupper med waterlines, brukes for temperaturmålinger. Ideelt når du arbeider med et stabilt system, bør hver skanning over samme område være identiske, som konsentrasjon, trykk og temperatur bør være uendret. Intensiteten av linjer sett her endres drastisk fra skanning til skanning, som er fordi den laser pulsmodus og energi ikke er stabil fra skanning å avsøke. Resultatene som disse er ubrukelig med mindre laser puls energi har blitt registrert og kan brukes sortere målinger med tilstrekkelig laser puls energi fra resten. Poling perioden brukes for målingen var 21,5 µm, med en krystall temperatur 123 ° c.
I Figur 4, er bakgrunn spredning ikke sett fordi et ND2-filter ble brukt til å redusere signal, unngå å overfylle detektoren. For svakere signaler, ble det funnet at bakgrunnen spredning er på 5 pJ per puls, som tilsvarer signalet fra P(20) linjen av ν1 vibrasjonsmedisin bandet på 100 ppm Blåsyre ved romtemperatur.
Figur 1: Diagram av upconversion detektoren. U1-U7 og UH er speil, svært reflekterende (HR)-belagt for 1,064 nm. Alle speilene er fly, unntatt U3, som har en 200 mm radius av forskjellig type. Speil U1-U5 ble gjort til overførbar på bølgelengden til laserdiode, slik at LD lyset ikke når detektoren. U6 er overførbar for upconverted signalet, 650-1050 nm. U7 er overførbar for midt-IR-signal. UH er 95% reflekterende 1,064 nm og 5% overførbar. Veilengden fra U1 og U3 er 156 mm, og lengden på banen fra U3 til U7 er 202 mm. L4 og L5 er achromatic objektiver med 60 mm og 75 mm brennvidder, henholdsvis. Begge er gjennomsiktig for 650-1050 nm. Kameraet brukes som detektor plasseres 75 mm fra L5. Feltet hulrom er vertikalt polarisert. PPLN her har poling perioder 21.0 µm, 21,5 µm, 22.0 µm, 22,5 mm og 23,0 µm og krystall er 20 mm. Synlig og nær-infrarøde detektoren brukes er en UI-5240CP-NIR-GL kameraet fra IDer Imaging utvikling systemer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: av DFWM oppsettet. M1 er et dielektrisk speil svært reflekterende (HR) bølgelengden til pulsed laser. M2 er et dielektrisk speil belagt skal HR på Bølgelengden av pulsed laser og overførbar for HeNe guide strålen. M3-M6 er beskyttet gull speil. B.C.1 og B.C.2 er BOXCARS plater 1 og 2. L1 er en 500 mm brennvidde CaF2 objektiv med 5,1 cm diameter. L2 er et 500 mm brennvidde CaF2 objektiv med en diameter på 2,54 cm. L3 er en 100 mm brennvidde CaF2 objektiv. Pulsed laser er vertikalt polarisert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Signalet fra ulike konsentrasjoner av Blåsyre i N2. Den sentrale peak er den P(20) ν1 vibrasjonsmedisin bandet Blåsyre. Rammemargen viser topp signalet fra hver konsentrasjon (diamant markører), med en andre-ordens polynom passer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 : Fem påfølgende skanninger av ca. 65 s i varighet per skanning, gjort i en ferdigblandet flamme. Laser ble skannet over omfanget av 3229.5-3232 cm-1. Toppene sett her er signalet fra flere samlinger av H2O overgang linjer. Signalet ble redusert med en ND1 og et ND0.6-filter, for å unngå å overfylle detektoren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: A BOXCARS plate sett fra siden. Det er en blokk med transparent materiale. På inn side, er det belagt med en antireflective belegg på halvparten av overflaten. Laserstrålen setter inn og når produksjon siden, der halve overflaten er belagt en 50% overføring. Lyset som reflekteres internt i platen er deretter brytes til delen av input siden belagt høy refleksjon og gjenspeiles i den øverste halvdelen av siden utgang. Dette deler en bjelke i to parallelle stråler. Samme effekt kan oppnås med en bjelke splitter og et speil, men en bjelke splitter ville ha noen refleksjon fra den bakre overflaten, noe som kan øke bakgrunnsstøy. BOXCARS platen krever også, ingen justering å sikre to bjelker produsert er parallelle. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: Intracavity makt som en funksjon av pumpen laserdiode gjeldende for modulen upconversion. Hvert punkt er gjennomsnittlig kraften målt fra tre separate justeringer av hulrommet feilfeltene angi spredningen mellom separate justeringer. Avvik fra perfekt laser virkemåte skyldes termiske effekter i laser krystall og PPLN krystall. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Presisjonen for justering av pulserende laserstrålen er kritisk til følsomheten til metoden. Spesiell omsorg må tas for å sikre at bjelker skilles med lik avstand etter BOXCARS platene og at lyset er like mellomrom rundt midten av L1. Avvik fra dette vil føre til en betydelig nedgang i signal intensitet og derfor følsomhet. Likeså må utvises at upconversion modul hulrommet kjører i grunnleggende modus, og at signalet strålen er justert for en optimal overlapping med upconversion pumpen. Signalet kan enkelt reduseres med én eller to størrelsesordener hvis upconversion hulrommet kjører i modus for feil eller signal strålen overlapping med feltet hulrom er suboptimal. Dette omfatter plassering L3 med millimeter presisjon, slik at signalet strålen fokus er i PPLN krystall. Med en optimal overlapping og 80 W hulrom strøm er en 6% quantum effektivitet av SFG scenen mulig. Med detektor og bølgelengde her, er totalt oppdagelsen effektiviteten 3%. Maksimal intracavity kraft som kan nås er 120 W, men 80 W kan oppnås pålitelig. Konverteringen effektiviteten er proporsjonal med intracavity kraft, så signaler med en annen intracavity makt kan sammenlignes hvis intracavity makt er registrert.
Den viktigste begrensende faktoren for følsomhet for denne metoden er bakgrunnen spredning, som drukner svake signaler. For å begrense denne spredning, er det avgjørende at optikk er holdt støvfritt, spesielt linse L1. Også må være forsiktig at plasseringen av bjelke blokken reduserer bakgrunnsstøy. Strålen blokken plasseres på en xy-scenen slik at den kan flyttes på en kontrollert måte i både horisontale og vertikale planet, vinkelrett på retningen av bjelkene.
Skanning diskutert her er gjort med PPLN på en konstant temperatur. Konverteringen effektiviteten er proporsjonal med sinc (ΔkL/2π)2, der Δk er fase misforholdet og L er krystall. Full bredde halv maksimum (FWHM) denne funksjonen er av detektoren ved konstant PPLN krystall temperatur. FWHM denne funksjonen endres med krystall temperatur og bølgelengde, men er generelt på 5 cm-1 i midt-IR, for en 20 mm lang crystal. Unntaket er nær 4200 nm, der bredden øker sterkt18.
Ingen skalering optikk er inkludert i oppsettdiagrammet i figur 2, fordi det er en rekke spørsmål du bør vurdere før bestemme hva, om noen, skalering er nødvendig. For oppsett beskrevet her, er pulserende laserstrålen collimated på en bjelke diameter på ca. 2 mm når nå L1. Dette gir en bjelke midje på fokuspunkt for ca 400 µm, bruker en bølgelengde på 3 µm. Når du implementerer denne teknikken, kan det være ønskelig å endre brennvidden på L1, enten fordi trenger mer plass mellom L1 og fokuspunkt av praktiske grunner, eller å forkorte måling volumet ved å øke konvergens vinkler, som kan gjort ved å bruke en kortere brennvidde. I dette tilfellet strålen livet på fokuspunkt bør holdes på ca. 400 µm og collimated strålen skal tilpasses for å passe. Det bør imidlertid, tas i betraktning at økende strålen diameter uten å øke avstanden mellom bjelker vil øke spredning fra strålen blokk kantene. Romlig oppløsning er gitt av overlappingen av pumpen bjelker. For oppsett beskrevet her, er overlappingen 6 mm lang, så måling volumet er en sylinder av 6 mm korte, med en radius på 0.4 mm.
For å oppnå quasi-phase-samsvarende i PPLN krystall, må både midt-IR-signalet og intracavity innen upconversion hulrommet være usedvanlig polarisert i PPLN krystall. Upconversion hulrommet skal bygges slik at polarisering av feltet intracavity er automatisk. Hvis midt-IR laser ikke samsvarer med allerede dette, kan en waveplate settes på midt-IR laser til slå polarisering.
IR-DFWM krever relativt høy energi pulser, 1-4 mJ, kombinert med en smal nok laser linewidth for å løse molekylær linjene er på 0,1 cm-1. Lasere som oppfyller disse vilkårene vanligvis har lav repetisjon priser, og som datainnsamling med DFWM er vanligvis gjort av skanning Bølgelengden av laser, dette begrenser målinger hastighet. Dette betyr at metoden brukes mest lett mål der emnet ikke endres over tid, men det er også brukt til timelig løst målinger17. En annen begrensning er at på grunn av følsomhet for spredte lys, partikler i eller nær måling volumet vil lage spredning hendelser som helt drukner signal17. Fase-match tilstand upconversion prosessen er spectrally smale, som bidrar til å fjerne støy fra termisk bakgrunnsstråling, men det gjør skanner over bred bølgelengde områder mer tidkrevende som PPLN temperaturen stilles inn for å holde den signalet bølgelengde fase-matchet.
Fremtidig bruk av IR-DFWM er planlagt for påvisning av NH3 i flammer, eller fortsette arbeidet med Blåsyre i mer praktisk miljøer. Den mest åpenbare for å forbedre metoden er å redusere bakgrunn av spredte lys. Dette kan gjøres ved hjelp av romlige filtrering signal avhenger av når signalet er samlet inn av L2.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Midler mottatt av forfatterne innenfor horisonten 2020 av EU er høylig verdsatt. Dette arbeidet ble gjennomført som en del av midten av TECH Marie Curie nyskapende opplæring nettverket [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.
