Summary
هنا، نحن نقدم بروتوكولا لإجراء التحليل الطيفي الحساسة ومكانيا تحل الغاز في منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء، استخدام منحط الاختلاط موجه أربعة جنبا إلى جنب مع كشفها upconversion.
Abstract
نقدم بروتوكولا لأداء الغاز التحليل الطيفي باستخدام الأشعة تحت الحمراء تحولت الموجه أربع خلط (الأشعة تحت الحمراء-دفوم)، للكشف عن كمية الغاز الأنواع في حدود جزء من المليون إلى واحد في المائة. والغرض الرئيسي من الأسلوب هو الكشف عن حل مكانياً الأنواع تركيزات منخفضة، والتي قد لا توجد انتقالات في النطاق الطيفي مرئية أو القرب من الأشعة تحت الحمراء التي يمكن أن تستخدم للكشف عن. الأشعة تحت الحمراء-دفوم هو أسلوب نونينتروسيفي، وميزة كبيرة في بحوث الاحتراق، كإدراج تحقيق إلى لهب يمكن تغييره جذريا. الأشعة تحت الحمراء-دفوم هو جنبا إلى جنب مع كشفها upconversion. يستخدم هذا النظام الكشف عن توليد التردد المبلغ لنقل إشارة الأشعة تحت الحمراء-دفوم من منتصف الأشعة تحت الحمراء إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء، للاستفادة من خصائص الضوضاء متفوقة على أساس السيليكون للكشف عن. وترفض هذه العملية أيضا معظم الإشعاع الحراري الخلفية. بروتوكول المعروضة هنا ينصب التركيز على التوافق السليم للبصريات دفوم الأشعة تحت الحمراء وعلى كيفية مواءمة نظام لكشف upconversion والتجويفي.
Introduction
الأشعة تحت الحمراء-دفوم يوفر القدرة على قياس تركيزات أنواع الأشعة تحت الحمراء نشط وصولاً إلى جزءا من المليون من المستوى1، مع القرار المكانية. الأشعة تحت الحمراء-دفوم له العديد من المزايا التي تجعل من أسلوب جذاب لبحوث الاحتراق. السنة اللهب يمكن أن تتغير جذريا بإدراج إجراء تحقيقات، ولكن الأشعة تحت الحمراء-دفوم نونينتروسيفي. فقد حل مكانية، حتى يمكن قياس تركيزات الأنواع في نقاط مختلفة في هيكل اللهب. وهو يوفر إشارة متماسكة، والتي يمكن أن تكون معزولة عن الانبعاثات الحرارية من اللهب. بالإضافة إلى ذلك، دفوم أقل حساسية للأسفار البيئة مما كان، على سبيل المثال، المستحثة بالليزر الاصطدام (LIF)، الذي يمكن أن يكون من الصعب تحديد في لهب. كما يوفر التقنية الوصول إلى الأنواع الجزيئية التي هي الأشعة تحت الحمراء نشط لكن الافتقار إلى التحولات مرئية أو قرب مرئية التي يمكن استخدامها لقياس هذه مع غيرها من التقنيات.
بينما دفوم يحتوي على عدد من المزايا، قد يكون من الأفضل إذا كان واحد أو أكثر من هذه المزايا لا تلزم تقنيات بديلة. إذا لا حاجة لقرار المكانية، ستكون التقنيات المستندة إلى استيعاب كل من أبسط وأكثر دقة. إذا الجزيئية الأنواع المعنية بالتحولات في المنطقة المرئية أو القرب من الأشعة تحت الحمراء، قد يكون الأفضل، ليف ليف يمكن أن توفر معلومات تحل مكانياً من طائرة بدلاً من مجرد نقطة واحدة. في ظل الظروف الصحيحة، يمكن أيضا استخدام أساليب غير الخطية، مثل دفوم و PS، للقياسات 2D طلقة واحدة2. الإشارة لهذه الأساليب غير الخطية تتناسب مع كثافة شعاع مسبار مكعبة، وكما يجب توسيع شعاع مضخة لتغطية مجال القياس 2D، وهذا يتطلب طاقات ذبذبة عالية جداً أو مزيج من ارتفاع قابلية الترتيب الثالث، تركيزات عالية، والضوضاء الخلفية منخفضة للعمل. ولذلك، فإنه يعتمد في الغالب على الأنواع الجزيئية عما إذا كان هذا احتمال.
في منافسة مباشرة مع دفوم، هناك أربعة موجه-الاختلاط-على أساس الطيفية التقنيات الأخرى: متماسكة لمكافحة ستوكس رامان الطيفي (السيارات)، والتحليل الطيفي [غرتينغ] المستحثة بالليزر (ليجس) والاستقطاب الطيفي (PS). السيارات تقنية راسخة لقياس درجة الحرارة والأنواع الرئيسية في بيئات الاحتراق. بيد أنها تفتقر إلى الحساسية للكشف عن الأنواع البسيطة، كالحد من الكشف هو عادة حوالي 1%2. ملاحظة: ودفوم سابقا تبين أن لديها حساسية مماثلة والكشف عن حدود3؛ ومع ذلك، قد ثبت نسبة الإشارة إلى الضوضاء دفوم زيادة عامل 500 عندما جنبا إلى جنب مع كشفها upconversion4، بينما أظهرت PS فقط بزيادة 64-fold5. ليجس له ميزة الذي يحفز [غرتينغ]، باستخدام ضوء منتصف الأشعة تحت الحمراء، ولكن التدابير الأثر إنكسار ليزر التحقيق من هذا [غرتينغ]، والطول الموجي لليزر هذا المسبار يمكن اختيارها بحرية6. الطول الموجي لليزر المسبار يمكن، بالتالي، في منطقة مرئية، حيث تتوفر كاشفات سريعة ومنخفضة الضوضاء على أساس السيليكون. هذا هو نفس الميزة التي يتم تحقيقه باستخدام upconversion. لقد ليجس أن العيب أنه حساس جداً للتصادم2، مما يعني أنه يجب أن يكون معروفا أن تركيز غاز رئيسية الأنواع للتركيز الدقيق أو قياسات درجات الحرارة مع ليجس. إذا تم التغلب على هذه المسألة، ليجس حساسية مماثلة دفوم و PS عند الضغط الجوي3، ولكن فيها إشارة LIGS يزيد مع زيادة الضغط، الإشارة من دفوم و PS يزيد في خفض الضغوط، مما يعني المفضل أسلوب يعتمد على البيئة الضغط.
كشف Upconversion هي تقنية تحويل إشارة من الأطوال الموجية الطويلة لأقصر منها باستخدام جيل التردد المبلغ. وميزة هذا أن يكون الكشف في النطاق المرئي أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء أقل ضوضاء وحساسية أعلى من نظرائهم في منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء. وهذا كان التحقيق أولاً قبل خمسة عقود7، لكنها شهدت القليل جداً من الاهتمام واستخدم منذ ذلك الحين، بسبب كفاءة التحويل منخفضة. ومع ذلك، مع التقدم في تقنيات الإنتاج لدوري poled الليثيوم نيوبات (بلن) والمواد الأخرى مع ارتفاع معاملات غير الخطية، كذلك زيادة توافر التقنية الليزر عالية الطاقة الثنائيات (LDs)، وقد اجتذب زيادة الاهتمام في العقد الأخير، مع التطبيقات تغطي مجالات من قبيل منتصف الأشعة تحت الحمراء واحدة-فوتون الكشف عن8،9،،من1011والأشعة تحت الحمراء ليدار12،13والطيفي التصوير14،15 والفحص المجهري16. والميزة الرئيسية للجمع بين upconversion الكشف بالأشعة تحت الحمراء-دفوم هو أن شرط المباراة المرحلة فرقة قبول الزاوي والطيفية ضيقة، التي تميز بشكل كبير على خلفية الحرارية، مما يتيح الكشف عن إشارات أضعف.
Protocol
ويبين الشكل 1؛ الإعداد كاشف upconversion المرايا أو العدسات البصرية الأخرى المشار إليها في البروتوكول هي حددت هنا أو في الرسم التخطيطي للإعداد دفوم الأشعة تحت الحمراء هو مبين في الشكل 2. المقطع بروتوكول يتعامل أساسا مع محاذاة الإعداد الضوئية المستخدمة لهذا الأسلوب، والعملية يمكن أن يكون مؤقتاً في أي وقت بإيقاف تشغيل جميع معدات التشغيل. يتم ضبط جميع المرايا يدوياً. البرمجيات المستخدمة هنا للتحكم الكاميرا وتم تسليم LD جنبا إلى جنب مع كاشف upconversion. ويرد في نهاية البروتوكول استخدام البرمجيات.
1-Upconversion
- ضع مرآة نهاية تجويف المحاذاة، آه، كما هو مبين في الشكل 1.
- إزالة البلورة بلن من جبل الكريستال.
- ضع بطاقة حساسة للأشعة تحت الحمراء (حساسة في 1,064 شمال البحر الأبيض المتوسط) في الموضع A، انظر الشكل 1.
- تحويل زاوية جبل الحركية عقد آه للموقف المتطرف في الاتجاه الأفقي والرأسي على حد سواء. ثم، تشغيل دينار في حوالي 1/3 للإخراج الحد الأقصى.
- قم بمحاذاة تجويف المحاذاة كما يلي.
- تغيير زاوية آه بدرجة +0.2 في اتجاه أفقي.
- اكتساح زاوية عمودي آه من جهة إلى أخرى، بينما يراقب بطاقة الأشعة تحت الحمراء لشعاع من تجويف المحاذاة.
- كرر الخطوتين 1.5.1 و 1.5.2 حتى يبدأ التجويف ومدراؤها.
- عندما يتم ومدراؤها تجويف المحاذاة، التبديل بين ضبط زاوية آه لسلطة أعلى وتخفيض LD محرك الأقراص الحالي. هو dimensioned دينار محرك تجويف الكاملة، التي لديها الكثير من الخسائر أعلى من تجويف المحاذاة. تبقى السلطة فيها شعاع ترك آه مرئية بسهولة مع بطاقة الأشعة تحت الحمراء ولكن لا أكثر من ذلك.
- قم بإزالة بطاقة الأشعة تحت الحمراء.
- ضبط زاوية U2، حيث ينعكس الشعاع المحاذاة في مركز U3 (الشكل 1).
ملاحظة: يجب ضرب الشعاع من تجويف المحاذاة U2 في المركز. - ضبط زاوية U3 حتى الشعاع تواصل U4 و U5 U6 وينعكس من U6 إلى U7.
- الشعاع يجب أن تمر عبر جبل بلن في ذروة منتصف قنوات كريستال بلن، وأنه يجب إدخال الكريستال عمودي على السطح. استخدم U2 لتصحيح الطول والزاوية، بينما ضبط U3 لإبقاء الشعاع الرتبة والوسط من خلال الثقوب x و y.
- إزالة الإطار الجرمانيوم ووضع بطاقة الأشعة تحت الحمراء وراء U7، حيث سيتم ضرب شعاع الأشعة تحت الحمراء ترك التجويف البطاقة، والأسفار ستكون مرئية للشخص محاذاة التجويف.
ملاحظة: سوف الآن تمر شعاع المحاذاة عن طريق بلن جبل وضرب U7. - قم بضبط زاوية U7، حيث أن الانعكاس من U7 يمر مرة أخرى على طول مسار الشعاع المحاذاة. بينما ضبط زاوية U7، لمشاهدة شعاع على بطاقة الأشعة تحت الحمراء. عندما ينظر إلى شعاع، ضبط زاوية U7 إلى أقصى حد في الإخراج.
- جبل بلن في الجبل. تأكد من أن يتم وضع الجبل حيث أن الشعاع يمر عبر إحدى القنوات في البلورة.
- تواصل مع لاحظته (الخطوة 1.13.1 أو 1.13.2 1.13.3) مطابقة الحالة الراهنة.
- إذا شعاع الأشعة تحت الحمراء لا تزال مرئية تخرج U7، ضبط U7 لزيادة الإنتاج، والاستمرار في الخطوة التالية.
- إذا لم يعد شعاع الأشعة تحت الحمراء تخرج U7 مرئية، زيادة LD الحالي إلى 1/3 للإخراج الحد الأقصى، والتحقق إذا كان يمكن رؤية شعاع الأشعة تحت الحمراء. إذا كان شعاع مرئياً، فانتقل إلى الخطوة 1.13.1؛ وإلا، انتقل إلى الخطوة 1.13.3.
- تقليل LD الحالي إلى المستوى السابق وتتبع الشعاع الدليل معرفة ما إذا كان يمر عبر بلن في قلب واحدة من القنوات. إذا لم يكن كذلك، كرر من الخطوة 1، 7، ولكن مع بلن في الجبل.
- إيقاف دينار، وإزالة آه، وإرفاق عامل التصفية LP750 في موقف ب (انظر الشكل 1).
- وضع مقياس الطاقة وراء U7 ولكن ترك مساحة للتحقق من الحزم مع بطاقة الأشعة تحت الحمراء. ثم قم بتشغيل على دينار في السلطة الكاملة.
- إذا كان يتم مشاهدة أي إشارة على مقياس الطاقة، إجراء تغييرات زاوية صغيرة U7، أثناء مشاهدة لإشارة على مقياس الطاقة. إذا تم العثور على إشارة، الاستمرار في الخطوة التالية؛ وبخلاف ذلك، العودة إلى الخطوة 1، 1.
- تحسين محاذاة تجويف بضبط زوايا U2 و U7 إلى أقصى حد السلطة، بينما تستخدم بطاقة الأشعة تحت الحمراء عالية الطاقة للتحقق من أن التجويف قيد التشغيل في وضع ضبابي الأساسية.
ملاحظة: في حين أنه قد يكون من الممكن الحصول على السلطة العليا في وضع ترتيب أعلى، من الضروري لكفاءة التحويل الليزر يتم تشغيله في الوضع الأساسي. - إذا لم يتم تشغيل التجويف في الوضع الأساسي، فإنه سيتم تشغيل في وضع ترتيب أعلى حيث متعددة الفصوص مرئية على بطاقة الأشعة تحت الحمراء. إيقاف U7 بحيث الفصوص هي التقريب بين على بطاقة الأشعة تحت الحمراء، حتى أنهم دمج.
- سجل إنتاج الطاقة في U7. استخدم هذا ونقل U7 إلى حساب الحقل والتجويفي. مقارنة هذه القيمة إلى منحنى المعايرة في الشكل 6.
- عندما تم تحسين التجويف، إزالة عامل التصفية LP750، ثم أعد الإطار الجرمانيوم.
2-الأشعة تحت الحمراء-دفوم المحاذاة
ملاحظة: انظر الشكل 2 لرسم تخطيطي للإعداد دفوم.
- قم بمحاذاة شعاع الليزر زناد (شعاع الدليل) مع M3 و M4 لضرب L1 في الوسط، ستكون أفقياً من M4 L1.
- إدراج لوحة غطت 1 بزاوية 45 درجة للشعاع (اتجاه عمودي) وضمان الشعاع يمر، إنتاج اثنين إخراج الحزم.
- إدراج لوحة غطت 2 بزاوية 45 درجة للحزم (الاتجاه الأفقي) وضمان الشعاع يمر، بإنتاج أربعة إخراج الحزم. ضبط زوايا اللوحات حتى الحزم متباعدة مثل الزوايا في ساحة.
- ضبط موضع L1 حتى الحزم هي متساوية حول مركز العدسة.
- إجازة شعاع الإشارة، التي سيتم إنشاؤها على طول مسار الشعاع سدت كتلة شعاع، إلغاء حظر الآن، حيث يمكن استخدامه لمحاذاة بقية الإعداد. ضع القزحية حتى أنها كتل الدعامات الثلاث مضخة ولكن يسمح لشعاع الرابعة، شعاع الإشارة، لتمرير من خلال.
- قم بمحاذاة L2 حتى شعاع الإشارة هو وتحديدالمنطقه. ويجب أن يتم ذلك باستخدام الأطوال في الطول الموجي لليزر نابض وليس عن طريق التفتيش البصري، كما سوف تكون الأطوال مختلفة بالنسبة للطول الموجي للحزمة الدليل ومنتصف الأشعة تحت الحمراء.
- ضع M5 و M6 بحيث يتم توسيط شعاع دليل على نافذة إدخال الكاشف upconversion وخط عمودي إلى نافذة الإدخال.
- ضع L3 البعد البؤري واحد المسافة الضوئية من مركز بلن. تأخذ في الاعتبار إنكسار النافذة الجرمانيوم ومرآة تجويف بلن نفسها.
- إعداد الوحدة النمطية upconversion وتشغيله (انظر الفرع 1).
- إزالة الإطار الجرمانيوم كاشف upconversion. هذا سوف يسمح شعاع 1064 للخروج من الوحدة النمطية upconversion.
- التداخل شعاع الليزر زناد وشعاع 1064 من كاشف upconversion باستخدام M6 لنقل شعاع 1064 على شعاع إشارة بحيث تتراكب في L2، واستخدام M5 لتحريك شعاع دليل على شعاع 1064 L3. بالتناوب بين اثنين من المرايا حتى شعاع الدليل و 1064 اتباع نفس المسار.
- أعد الإطار الجرمانيوم.
- ضع عدة وفيات المواليد مرشحات في مسار الشعاع، أمام الكاشف upconversion. رعاية كبيرة ابدأ السماح المراكب شعاع من الليزر النبضي إلى كاشف upconversion، الطاقة العالية سوف يرجح أن تلحق الضرر الكاشف.
- قم بتشغيل الليزر النبضي وضمان تشغيله مستقرة وفي طاقة مناسبة لكل نبض.
- تداخل الليزر النبضي وشعاع دليل على النحو التالي.
- قم بضبط زاوية M1 حتى يتداخل مع الليزر النبضي شعاع الدليل في شعاع الموحد (M2).
- ضبط زاوية M2 بحيث ينعكس الليزر النبضي في اتجاه نشر الشعاع الدليل.
- تحقق من أن الحزم هي متداخلة في الموحد شعاع وعلى مسافات 1 م و 2 م م 3.
- العثور على نقطة محورية من الحزم بعد L1. ضع تدفق الغاز أو لهب تقاس حيث يكون نقطة القياس في الوصل الحزم.
- قم بتوصيل إشارة المشغل من الليزر النبضي كاشف upconversion الوقت بوابة الكشف عن. إذا كان وقت التأخير وبوابة غير معروفة، تبدأ مدة طويلة من بوابة الزمن وتضييق عند العثور على الإشارة.
- البحث في برنامج الإعداد، لا سيما لوحات غطت، لانعكاسات المخطئين وتأكد من أنها مسدودة.
- تحسين المواءمة بين شعاع إشارة في كشف upconversion على النحو التالي.
- إذا كانت إشارة مرئية على الجهاز، ضبط M5 و M6 إلى أقصى حد الإشارة.
- إذا كان لا يوجد إشارة مرئية على الجهاز، الحد من وفيات المواليد تصفية بواسطة أمر واحد من حجم. كرر حتى ينظر إلى إشارة.
- إذا كانت مشبعة إشارة على الجهاز، زيادة ND التصفية حسب ترتيب واحد من حيث الحجم. كرر حتى لم تعد مشبعة الإشارة.
- انتقل من خلال الخطوات 2.19.1-2.19.3 حتى يمكن لم تعد زيادة الإشارة بضبط M5 و M6.
- ضع كتلة شعاع بحيث أنه يمنع شعاع الإشارة، كما هو مبين في الشكل 2. ثم، قم بإزالة المرشحات وفيات المواليد.
- ضبط موضع كتلة شعاع للحد من أي نثر (ضجيج الخلفية) ينظر في الجهاز. رعاية كبيرة لا لإلغاء حظر الشعاع بطريق الخطأ وفضح الكاشف الضوء من الليزر النبضي المباشر.
- إعداد تدفق الغاز أو الشعلة التي يمكن قياسها. بعد ذلك، فحص الليزر النبضي عبر نطاق الطول الموجي للفائدة، أثناء تسجيل الإشارة من الجهاز. سيؤدي هذا إلى إنشاء مجموعة مطابقة تكوين الغاز في التداخل من الحزم.
3-ليزر صمام ثنائي البرمجيات
- قم بتشغيل برنامج LabVIEW control.vi أوروراوني.
- انقر فوق الزر تمكين "المجلس التنفيذي الانتقالي الليزر" إلى الموضع على وانقر سلامة RW/TW زر إيقاف.
- تعيين الليزر الحالية عن طريق إدخال القيمة المطلوبة في ميكروواتس في الحقل TA تعيين نقطة . سيتم ضبط إدخال قيمة جديدة في حين يعمل الليزر الحالية.
- انقر فوق الزر تمكين تا في موقف لتشغيل صمام ثنائي ليزر الحالية على.
- إيقاف تشغيل صمام ثنائي ليزر بالنقر فوق تمكين تا و تمكين المجلس التنفيذي الانتقالي الليزر بالمواقف قبالة .
4-معرفات تطوير نظم التصوير
- قم بتشغيل برنامج LabVIEW UpconversionControl.vi.
- ضمن علامة التبويب إعدادات، تعيين سرعة مصراع الكاميرا إلى المايكروثانيه 8 بكتابة القيمة في الحقل المسمى وقت التعرض (ثانية).
- ضمن علامة التبويب إعدادات، تعيين نوع مصراع إلى العالمية في الحقل المسمى مصراع معرفات.
- ضمن علامة التبويب DBG، تعيين نوع المشغل إلى Lo_Hi في ميدان معرفات الزناد .
- ضمن علامة التبويب DBG2، تعيين التأخير المشغل في الحقل المسمى معرفات الزناد التأخير (المايكروثانيه). وهذا سيتوقف على التأخير بين نبض الزناد ونبض الليزر من الليزر.
- ضمن علامة التبويب إعدادات، تعيين إيقاف تعيين x و إيقاف تعيين y إلى 480 بكسل و العرض و الارتفاع إلى 96 بكسل.
- ضمن علامة التبويب إعدادات، تعيين معدل الإطار إلى 0 في الحقل معدل الإطارات ؛ يؤدي هذا إلى تعيين الكاميرا لالتقاط إطار واحد كل إشارة الزناد.
- قم بتشغيل الكاميرا بالضغط على زر بدء اكتساب .
- عندما يتم إدخال إشارة كاشف upconversion، سوف تكون الإشارة مرئية كنقطة مضيئة في منتصف الصورة التي تظهر على اليمين في برنامج LabVIEW. استخدم الدالة إحداثيات على شريط اليسار بجوار الصورة لرسم مستطيل 6 × 6 بكسل حول الإشارات.
- عرض متوسط كثافة من بكسل المحدد كدالة للزمن تحت علامة التبويب التاريخ . إذا لزم الأمر، يمكن أن يتم مسح الرسم البياني بالنقر بالزر الأيمن عليه وتحديد واضح.
- اضغط على زر الحصول على وقف لوقف الحصول على صور جديدة من الكاميرا.
- تصدير البيانات بالنقر بالزر الأيمن على الأرض كثافة وحدد نسخ البيانات إلى الحافظةلصق البيانات في ملف .txt .
- قم بإيقاف تشغيل برنامج الكاميرا والتحكم بالضغط على زر إيقاف .
Representative Results
ويبين الشكل 3 الإشارة من تركيزات مختلفة من هكن في ن2، بلغ في المتوسط على مدى الثلاثة بالأشعة لكل تركيز. أعد الخليط خلط 300 جزء في المليون هكن في ن2 مع2 ن النقي باستخدام التدفق الجماعي وحدات تحكم وتدفئة إلى 843 ك. ذروة المركزية هو خط P(20) من الفرقة ν الذبذبات1 من هكن. اقحم في الشكل 3 يبين قيمة الذروة الإشارة من هذا الخط لكل تركيز، مع متعدد حدود الدرجة الثانية تناسب. يمكن وصف التبعية تركيز الإشارة بواسطة S = الفأس2 + ب، حيث S هو الإشارة و و ب هي تركيب الثوابت17. قياسات التركيز المطلق في لهب تتطلب قياس معايرة كما هو موضح هنا، عند درجة حرارة معروفة، تحديد ثابت . يجب أيضا قياس درجة الحرارة في وحدة القياس في اللهب كما ثابت جداول مع درجة الحرارة؛ مناقشة كاملة لهذه كانت بالفعل نشر17. كانت فترة الباكورة المستخدمة لهذا القياس 21.5 ميكرومتر، مع درجة حرارة كريستال 104.5 درجة مئوية.
ويعرض الشكل 4 البيانات الخام من لهب خلط. يظهر مسح متتالية الخمس أكثر نطاق سم 3229.5-3232-1، تفحص كل أخذ ما يقرب من 65 s. هذه تشمل ثلاث مجموعات من خطوط الماء، المستخدمة لقياس درجة الحرارة. ومن الناحية المثالية، عند العمل مع نظام مستقر، ينبغي أن تكون كل عملية مسح على نفس النطاق متطابقة، كما ينبغي أن يكون تركيز، والضغط، ودرجة الحرارة دون تغيير. كثافة خطوط التغييرات المشاهدة هنا جذريا من المسح الضوئي لمسح، وهو لوضع النبض الليزر والطاقة ليست مستقرة من المسح الضوئي للمسح الضوئي. نتائج مثل هذه غير قابل للاستخدام ما لم تكن قد سجلت الطاقة نبض الليزر ويمكن استخدامها لفرز القياسات مع كمية كافية من الطاقة نبض الليزر من بقية. كانت فترة الباكورة المستخدمة لهذا القياس 21.5 ميكرومتر، مع درجة حرارة كريستال 123 درجة مئوية.
في الشكل 4، لا ينظر إلى بعثرة الخلفية لأنه تم استخدام عامل تصفية ND2 لتقليل الإشارات, لتجنب تشبع الكاشف. لإشارات أضعف، ووجد أن تشتت الخلفية أمر pJ 5 كل نبضة، الذي يتوافق مع الإشارات المتولدة من سطر P(20) من الفرقة ν الذبذبات1 من 100 جزء من المليون من هكن في درجة حرارة الغرفة.
الشكل 1: رسم تخطيطي لكاشف upconversion. U1-U7 واه مرايا عاكسة (HR)-المغلفة ل 1,064 شمال البحر الأبيض المتوسط. كل المرايا هي طائرات، باستثناء U3، الذي قد قطرها 200 ملم من انحناء. وقدمت مرايا U1-U5 أن يكون النقل في الطول الموجي لصمام ثنائي ليزر، التأكد من أن الضوء LD لا تصل إلى الجهاز. U6 النقل لتحويل الإشارة، 650-1,050 شمال البحر الأبيض المتوسط. U7 النقل للإشارات منتصف الأشعة تحت الحمراء. آه هو 95% عاكس 1,064 شمال البحر الأبيض المتوسط والنقل 5%. طول المسار من U1 إلى U3 156 مم، وطول المسار من U3 إلى U7 202-L4 و L5 العدسات achromatic مع 60 مم و 75 مم أطوال، على التوالي. وكلاهما شفافة ل 650-1,050 شمال البحر الأبيض المتوسط. يتم وضع الكاميرا المستخدمة ككاشف 75 مم من L5. ميدان تجويف هو الاستقطاب عمودياً. بلن المستخدمة هنا الباكورة فترات 21.0 ميكرومتر، ميكرومتر 21.5، ميكرومتر 22.0، 22.5 مم، و 23.0 ميكرومتر، وطول كريستال 20 ملم. كاشف المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء التي تستخدم كاميرا واجهة مستخدم--5240CP--الجرد-GL من معرفات "التصوير تطوير النظم". الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2: الرسم التخطيطي للإعداد دفوم. M1 عازل مرآة عاكسة (HR) في الطول الموجي لليزر نابض. M2 مرآة عازلة المغلفة لأن الموارد البشرية في الطول الموجي الليزر النبضي والنقل لشعاع دليل زناد. م 3-M6 محمية مرايا الذهب. B.C.1 و B.C.2، وغطت لوحات 1 و 2. L1 عدسة 500 مم البعد البؤري CaF2 قطره 5.1 سم. L2 500 مم البعد البؤري CaF2 عدسة يبلغ قطرها من 2.54 سم. L3 عدسة البعد البؤري 100 مم2 CaF. الليزر النبضي هو الاستقطاب عمودياً. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 : إشارة من تركيزات مختلفة من هكن في ن2. ذروة المركزية هو خط P(20) من الفرقة ν الذبذبات1 من هكن. يظهر اقحم إشارة الذروة من كل تركيز (علامات الماس)، مع الثانية-ترتيب متعدد حدود تناسب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4 : خمس مسح متتالية من ca. 65 s في مدة الواحدة تفحص، المبرمة في لهب خلط. تم مسحها ضوئياً الليزر على نطاق على سم 3229.5-3232-1. على قمم ينظر هنا هي الإشارة من عدة مجموعات من خطوط الانتقال2س ح. تم تخفيض الإشارة مع ND1 وعامل تصفية ND0.6، لتجنب تشبع الكاشف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 5: "أ وغطت" اللوحة ينظر إليه من الجانب. كتلة من مادة شفافة. من ناحية الإدخال، هي مغلفة بطلاء الانعكاس على نصف السطح. شعاع الليزر يدخل هنا وتصل إلى الجانب الإخراج، حيث هو نصف سطح مطلي لإرسال 50%. هو يتخلله ثم إلى الجزء من جانب المدخلات المغلفة لانعكاس ارتفاع الضوء ينعكس داخليا في اللوحة وينعكس من خلال النصف العلوي من الجانب الناتج. وهذا يقسم شعاع واحد إلى اثنين الحزم المتوازية. يمكن تحقيق نفس التأثير مع مقسم شعاع ومرآة، ولكن الخائن شعاع بعض التفكير من السطح الخلفي، والتي يمكن أن تزيد من ضجيج الخلفية. أيضا، لوحة وغطت يتطلب لا محاذاة لضمان الحزم اثنين المنتجة موازية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 6: الطاقة والتجويفي كدالة لمضخة ليزر أشباه الموصلات الحالية للوحدة النمطية upconversion. كل نقطة متوسطة القوة تقاس من التحالفات منفصلة ثلاثة تجويف وأشرطة الخطأ تشير إلى الانتشار بين التحالفات منفصلة. بسبب الانحراف عن السلوك المثالي الليزر تأثيرات حرارية في كريستال الليزر والكريستال بلن. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Discussion
دقة محاذاة شعاع الليزر النبضي أمر حاسم لحساسية للأسلوب. ويجب إيلاء عناية خاصة للتأكد من أن الحزم مفصولة بمسافة متساوية بعد لوحات وغطت وأن العوارض متباعدة على قدم المساواة حول مركز L1. الانحراف عن هذا سيؤدي إلى انخفاض كبير في كثافة إشارة، ومن ثم حساسية. وبالمثل، يجب الحرص أن تجويف الوحدة النمطية upconversion قيد التشغيل في الوضع الأساسي واتساق شعاع إشارة لوجود تداخل أمثل مع المضخة upconversion. يمكن بسهولة الحد الإشارة واحدة أو اثنين للحجم إذا تجويف upconversion قيد التشغيل في وضع خاطئ أو التداخل شعاع الإشارة مع الحقل تجويف دون المستوى الأمثل. وهذا يشمل وضع L3 بالملليمتر من الدقة حتى لا يكون إشارة شعاع الوصل في وسط كريستال بلن. مع تداخل أمثل و 80 واط من الطاقة تجويف، الممكن كفاءة كم 6% من مرحلة سفج. كاشف والطول الموجي المستخدم هنا، هو كفاءة الكشف الإجمالي 3%. قوة والتجويفي الحد الأقصى الذي يمكن التوصل إليه هو 120 واط، ولكن يمكن تحقيق 80 ث موثوق بها. كفاءة التحويل متناسب مع قوة والتجويفي، حتى يمكن مقارنة الإشارات المسجلة مع قوة والتجويفي مختلفة إذا تم تسجيل قوة والتجويفي.
العامل المحدد الرئيسي لحساسية هذا الأسلوب هو بعثرة الخلفية، الذي يغرق إشارات ضعيفة. للحد من هذا التشتت، من الأهمية بمكان أن البصريات تبقى خالية من الغبار، لا سيما العدسة L1. ويجب أيضا الحرص أن موقف كتلة شعاع يقلل من الضوضاء الخلفية. وينبغي وضع كتلة شعاع في مرحلة تخطيط س ص بحيث يمكن نقلها بطريقة الخاضعة للرقابة في كلا الأفقية والعمودية الطائرة، عمودي على اتجاه الحزم.
ويتم المسح مناقشتها هنا مع بلن عند درجة حرارة ثابتة. كفاءة التحويل يتناسب مع سينك (Δكوالا لمبور/2π)2، حيث Δك هو عدم تطابق المرحلة و L هو طول البلورة. العرض الكامل نصف الحد الأقصى (فوم) لهذه الدالة هو عرض النطاق الترددي للجهاز في درجة حرارة كريستال بلن ثابتة. فوهم من هذه الدالة يتغير مع درجة الحرارة كريستال والطول الموجي ولكن عموما يقارب 5 سم-1 في منتصف-الأشعة تحت الحمراء، لبلورة طويلة 20 مم. والاستثناء قرب 4,200 شمال البحر الأبيض المتوسط، حيث العرض يزيد إلى حد كبير من18.
لا البصريات التحجيم قد أدرجت في الرسم التخطيطي للإعداد في الشكل 2، لأن هناك عددا من قضايا للنظر فيها قبل أن يقرر ما إذا كان هناك حاجة لأي زيادة. للإعداد الموضحة هنا، شعاع الليزر النبضي هو وتحديدالمنطقه في قطر شعاع من ca. 2 مم عند الوصول إلى المستوى 1. وهذا يعطي الخصر شعاع في الوصل لحوالي 400 ميكرون، باستخدام طول موجي من 3 ميكرومتر. عند تنفيذ هذا الأسلوب، قد يكون من المستصوب لتغيير البعد البؤري ل L1، أما لأن هناك حاجة إلى المزيد من المساحة بين L1 والوصل لأسباب عملية، أو تقصير وحدة القياس بزيادة تقارب الزوايا، التي يمكن أن تكون يتم ذلك باستخدام أقصر البعد البؤري. في هذه الحالة، ينبغي أن تظل الخصر الشعاع في نقطة محورية في كاليفورنيا-400 ميكرون وينبغي تحجيم شعاع وتحديدالمنطقه للمباراة. ينبغي، مع ذلك، أن تؤخذ في الاعتبار أن زيادة قطر الحزمة دون زيادة تباعد الحزم سيزيد بعثرة من حواف كتلة شعاع. ويرد القرار المكانية بالتداخل بين الحزم مضخة. للإعداد الموضحة هنا، التداخل 6 مم طويلة، حيث يتم قياس حجم اسطوانة طويلة، 6 مم مع دائرة نصف قطرها 0.4 مم.
لتحقيق شبه-المرحلة مطابقة في البلورة بلن، إشارة منتصف الأشعة تحت الحمراء وميدان والتجويفي تجويف upconversion يجب أن يكون غير عادي الاستقطاب في البلورة بلن. ينبغي أن تبني تجويف upconversion حيث أن استقطاب ميدان والتجويفي الصحيح تلقائياً. إذا الليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء لا يطابق الفعل هذا، يمكن إدراج وافيبلاتي في منتصف الأشعة تحت الحمراء ليزر الإخراج لتحويل الاستقطاب.
الأشعة تحت الحمراء-دفوم تتطلب طاقة عالية نسبيا البقول، 1-4 مللي جول، جنبا إلى جنب مع ضيقة ما يكفي لينيويدث الليزر لحل خطوط الجزيئية، وتتراوح بين 0.1 سم-1. أشعة الليزر التي تطابق هذه المعايير عموما معدلات الرسوب منخفض، وكما ويتم الحصول على البيانات مع دفوم عموما عن طريق فحص الطول الموجي الليزر، وهذا يحد من سرعة القياسات. وهذا يعني أن الطريقة الأكثر سهولة يطبق على القياسات فيها هذا الموضوع لم تتغير مع مرور الوقت، على الرغم من أنه طبق أيضا على قياسات حلها وقتيا17. قيد آخر هو أنه نظراً للحساسية للضوء المتناثرة، سيخلق الجسيمات في أو بالقرب من وحدة قياس تشتت الأحداث التي تغرق تماما إشارة17. حالة تطابق المرحلة العملية upconversion طيفيا الضيقة، مما يساعد على القضاء على الضوضاء الناجمة عن الإشعاع الحراري الخلفية، ولكن أنه إجراء مسح عبر نطاقات واسعة للطول الموجي أكثر استهلاكاً للوقت كما يجب ضبطها بلن درجة الحرارة للحفاظ على إشارة الطول الموجي يقابل المرحلة.
ويزمع الاستخدامات المستقبلية للأشعة تحت الحمراء-دفوم للكشف عن NH3 في السنة اللهب، أو أن تواصل العمل مع هكن في بيئات أكثر عملية. الوسيلة الأكثر وضوحاً لتحسين الطريقة لزيادة خفض الخلفية من الضوء المتناثرة. وهذا يمكن القيام به باستخدام التصفية المكانية لشعاع إشارة بعد الإشارة يتم جمعها L2.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
بتقدير كبير تمويل تلقاها المؤلف ضمن نطاق أفق 2020 بالاتحاد الأوروبي. وأجرى هذا العمل كجزء من شبكة التدريب المبتكر "التكنولوجيا" منتصف ماري كوري [H2020-مسكاً-أي تي-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.
