Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att utföra känsliga, rumsligt löst gas spektroskopi i regionen Mid infraröd, använder degenererade fyra-våg blandning kombinerat med uppkonvertering upptäckt.
Abstract
Vi presenterar ett protokoll för att utföra gas spektroskopi med infraröd degenererade fyra-wave (IR-DFWM), blandning för kvantitativa detektering av gas arter i intervallet ppm-till-singel-procent. Det huvudsakliga syftet med metoden är rumsligt löst detektion av låg-koncentration arter, som har inga övergångar i det synligt eller nära-IR spektralområdet som skulle kunna användas för identifiering. IR-DFWM är en inkräktande metod, vilket är en stor fördel i förbränning forskning, som sätter en sond i en flamma kan ändra det drastiskt. Den IR-DFWM kombineras med uppkonvertering upptäckt. Detta detection system använder summan-frekvens generation för att flytta IR-DFWM signalen från mitten av-IR till regionen nära-IR, att dra nytta av de överlägsna Bulleregenskaperna kiselbaserade detektorer. Denna process förkastar också de flesta av de termiska bakgrundsstrålningen. Fokus i det protokoll som presenteras här är på ordentlig justering av IR-DFWM optik och hur att anpassa ett intracavity uppkonvertering detektionssystem.
Introduction
IR-DFWM ger möjlighet att mäta koncentrationer av IR aktiva arter ner till ppm nivå1, med rumslig upplösning. IR-DFWM har flera fördelar som gör det en attraktiv teknik för förbränning forskning. Lågorna kan ändras drastiskt genom införandet av sonder, men IR-DFWM är inkräktande. Den har en rumslig upplösning, så arten koncentrationer vid olika tidpunkter i lågan strukturen kan mätas. Det ger en sammanhängande signal, som kan isoleras från det termiska utsläppet av lågan. Dessutom, är DFWM mindre känsliga för kollision miljö än, exempelvis Laserinducerad fluorescens (LIF), vilket kan vara svårt att avgöra i en flamma. Tekniken ger också tillgång till molekylslag som är IR aktiv men saknar synligt eller nära-synliga övergångar som kan användas för att mäta dem med andra tekniker.
Medan DFWM har ett antal fördelar, kan alternativa tekniker vara att föredra om en eller flera av dessa fördelar inte behövs. Om rumslig upplösning inte behövs, blir absorption-baserade tekniker både enklare och exaktare. Om molekylär arterna i fråga har övergångar i regionen synligt eller nära-IR, kan LIF vara att föredra, eftersom LIF kan ge rumsligt löst information från ett plan i stället för bara en enda punkt. Under rätt förutsättningar, kan ickelinjära metoder, såsom DFWM och PS, också användas för single shot 2D mätningar2. Signalen från dessa icke-linjära metoder är proportionell till sonden beam intensitet kubik, och som pumpen balken måste utvidgas för att täcka området i 2D mätning, detta kräver antingen mycket hög puls energier eller en kombination av tredje ordningens kickmottagligheten, höga koncentrationer och lågt bakgrundsljud ska fungera. Därför beror mestadels det på att molekylstorleken om detta är en möjlighet.
I en mer direkt konkurrens med DFWM, finns det andra fyra-våg-blandning-baserade spektroskopiska tekniker: sammanhängande anti Stokes Raman-spektroskopi (bilar), Laserinducerad gallerdurk spektroskopi (LIGS) och polarisering spektroskopi (PS). BILAR är en väl etablerad teknik för att mäta temperatur och större arter i förbränning miljöer. Men saknar det känslighet för att upptäcka mindre arter, som detektionsgränsen är vanligen cirka 1%2. PS och DFWM har tidigare visat sig ha liknande känslighet och upptäckt begränsar3; signal-brus-förhållandet av DFWM har dock visat sig öka med faktor 500 när kombinerat med uppkonvertering upptäckt4, medan PS har visat bara en 64-fold ökning5. LIGS har fördelen av att förmå galler, med mitten-IR ljus, men mäter effekten av refraktionen av en sond laser av denna gallerdurk, och denna sond laser våglängd kan väljas fritt6. Våglängden av sonden Lasern kan därför vara i regionen synliga, där snabb, tystgående kiselbaserade detektorer finns. Detta är samma fördel som uppnås genom uppkonvertering. LIGS har den nackdelen att det är mycket känslig för kollision2, vilket innebär att koncentrationen av stora gas arter måste vara känd för exakt koncentration eller temperaturmätningar med LIGS. Om denna fråga är att övervinna, LIGS har en liknande känslighet för både DFWM och PS vid atmosfäriskt tryck3, men där LIGS signal ökar med ökande tryck, signalen från DFWM och PS ökar vid lägre tryck, vilket innebär att föredra teknik beror på trycket miljön.
Uppkonvertering upptäckt är tekniken att omvandla en signal från långa våglängder kortare dem med hjälp av summa-frekvens generation. Fördelen med detta är att detektorerna i intervallet synligt eller nära-infraröd har lägre buller och en högre känslighet än sina motsvarigheter i regionen mid-IR. Detta undersöktes först fem decennier sedan7, men såg mycket lite uppmärksamhet och använder sedan dess, på grund av de låga konvertering effektivitetsvinsterna. Men med framsteg inom produktionsteknik för regelbundet poled litium ökat niobate (PPLN) och andra material med hög ickelinjära koefficienter, samt den ökande tillgängligheten av high-power laserdioder (LDs), tekniken har lockade uppmärksamhet under det senaste decenniet, med program som täcker områden såsom mid-IR singel-photon upptäckt8,9,10,11, IR lidar12,13och Hyperspektrala Imaging14,15 och mikroskopi16. Den största fördelen med att kombinera uppkonvertering upptäckten med IR-DFWM är att villkoret fas-match har ett smala kantiga och spektrala acceptans band, som kraftigt diskriminerar termisk bakgrunden, möjliggör upptäckt av svagare signaler.
Protocol
Inställningen av uppkonvertering detektorn visas i figur 1. speglar, linser eller andra optik som hänvisas till i protokollet identifieras här eller i diagrammet av den IR-DFWM setup visas i figur 2. Avsnittet protokollet behandlar främst justera optisk installationen används för denna metod, och processen kan pausas när som helst genom att stänga av all utrustning som körs. Alla speglar justeras manuellt. Programvaran används här för att kontrollera kameran och LD levererades tillsammans med uppkonvertering detektorn. Användning av programvaran beskrivs i slutet av protokollet.
1. uppkonvertering
- Placera slutet spegeln på justering kaviteten, UH, som anges i figur 1.
- Ta bort PPLN kristallen från crystal fästet.
- Placera ett IR-känslig kort (känsliga på 1 064 nm) på position A, se figur 1.
- Slå vinkeln för kinematisk fästet håller UH till extrem position i både horisontell och vertikal riktning. Slå sedan på LD på ungefär 1/3 av maximal effekt.
- Justera justering hålrummet som följer.
- Ändra vinkeln på UH + 0,2 ° i horisontell riktning.
- Sopa den vertikala vinkeln av UH från ena ytterligheten till den andra, medan du tittar på IR kortet för en stråle från justering hålrummet.
- Upprepa steg 1.5.1 och 1.5.2 tills hålrummet börjar lasern.
- När justering hålrummet lasern, växla mellan justering av vinkeln på UH för en högre makt och minska LD enheten aktuella. LD är dimensionerad för att köra full kaviteten, som har mycket högre förluster än justering hålrummet. Behålla makten där strålen lämnar UH är lätt synliga med IR-kortet men inte mer än så.
- Ta bort IR kortet.
- Justera vinkeln på U2, så justering strålen reflekteras i center av U3 (figur 1).
Obs: Strålen från justering hålrummet ska slå U2 i mitten. - Justera vinkeln på U3 så balken fortsätter att U4, U5 och U6 och reflekteras från U6 till U7.
- Balken måste passera genom PPLN fästet på höjden av mitten av kanalerna för PPLN kristallen, och det måste ange kristallen vinkelrätt mot ytan. Använda U2 till rätt höjd och vinkel, medan du justerar U3 för att hålla balken nivå och centrerad genom hål x och y.
- Ta bort fönstret germanium och placera IR kortet bakom U7, så att en IR-strålen lämnar hålrummet kommer hit kortet, och fluorescensen kommer att visas för den person som justera hålrummet.
Obs: Justering balken kommer nu att passera genom PPLN montera och slå U7. - Justera vinkeln på U7, så att reflektion från U7 passerar tillbaka längs sökvägen till justering balken. Medan du justerar vinkeln på U7, se för en balk på IR kortet. När en ljusstråle ses, justera vinkeln på U7 att maximera produktionen.
- Montera PPLN i berget. Kontrollera att fästet placeras så att strålen går genom en av kanalerna i kristallen.
- Fortsätta med substep (steg 1.13.1, 1.13.2 eller 1.13.3) på den nuvarande situationen.
- Om en IR-strålen syns fortfarande spännande U7, justera U7 för att maximera produktionen, och fortsätta med nästa steg.
- Om den spännande U7 strålen inte längre syns, öka LD nuvarande till 1/3 av maximal effekt och kontrollera om strålen kan ses. Om en stråle är synlig, gå till steg 1.13.1; gå annars till steg 1.13.3.
- Minska nuvarande LD till tidigare nivå och spåra guide balken att se om den passerar genom PPLN i mitten av en av kanalerna. Om inte, upprepa från steg 1,7, men med PPLN i berget.
- Stänga av LD, ta bort UH och bifoga LP750 filtret på position B (se figur 1).
- Placera wattmetern bakom U7 men lämnar utrymme för att kontrollera balken med en IR-kort. Slå sedan på LD vid full effekt.
- Om ingen signal ses på wattmetern, göra små vinkel ändringar U7, medan du tittar på en signal på wattmetern. Om en signal hittas, fortsätta till nästa steg; annars, återgå till steg 1,1.
- Optimera hålighet justeringen genom att justera vinklarna för U2 och U7 för att maximera kraften, medan du använder en högeffekts IR-kortet för att kontrollera att hålrummet körs i grundläggande Gaussisk läge.
Obs: Medan det kan vara möjligt att få högre makt i en högre ordning läge, det är viktigt för att verkningsgraden som lasern körs i grundläggande läge. - Om hålet inte körs i grundläggande läge, kommer det att köra i en högre ordning läge där flera lober är synliga på IR kortet. Vänd U7 så att loberna är närma sig varandra på IR-kortet tills de slå samman.
- Spela in uteffekten på U7. Använda detta och överföring av U7 för att beräkna fältet intracavity. Jämför detta värde med kalibreringskurvan i figur 6.
- När hålrummet har optimerats, ta bort LP750 filtret och sätt tillbaka fönstret germanium.
2. IR-DFWM justering
Obs: Se figur 2 för ett diagram över den DFWM setup.
- Justera laserstrålen HeNe (guide balken) med M3 och M4 träffa L1 i centrum, går horisontellt från M4 till L1.
- In GODSVAGNAR platta 1 i 45° vinkel mot balken (vertikal riktning) och se till att balken går igenom, producerar två utdata balkar.
- In GODSVAGNAR platta 2 i 45° vinkel mot balkarna (horisontell riktning) och se till att balken går igenom, producerar fyra utdata balkar. Justera vinklarna på plattorna så balkarna är placerade som hörnen på en kvadrat.
- Justera positionen för L1 tills balkar är jämnt fördelade runt mitten av linsen.
- Lämna signalstrålen, som kommer att genereras på vägen mot strålen blockeras av beam blocket, hävs för nu, så det kan användas för att justera resten av installationen. Placera iris så att det blockerar tre pump balkar, men tillåter den fjärde strålen, signalstrålen, passera.
- Justera L2 så signalstrålen är parallell. Detta måste göras med brännvidder på våglängden av Pulsade laser och inte genom okulärbesiktning, som brännvidder blir annorlunda för våglängden av guide balken och i mitten av-IR.
- Placera M5 och M6 så att guide balken är centrerad på fönstret ingående uppkonvertering detektor och vinkelrätt till fönstret ingående.
- Placera L3 en brännvidd optiska avståndet från mitten av PPLN. Beakta refraktionen av fönstret germanium, hålighet spegeln och PPLN sig själv.
- Ställ in modulen uppkonvertering och slå på (se avsnitt 1).
- Ta bort fönstret germanium uppkonvertering detektorns. Detta gör att en 1064 balk att avsluta uppkonvertering modulen.
- Överlappa HeNe laserstrålen och 1064 strålen från uppkonvertering detektorn med hjälp av M6 flytta 1064 balken på signalstrålen så att de överlappar varandra på L2 och med hjälp av M5 till flytta den guide beam till 1064 balken på L3. Alternerar mellan de två speglarna tills guide strålen och 1064 följa samma väg.
- Återanslut fönstret germanium.
- Placera flera ND-filter i strålgång, framför uppkonvertering detektorn. Ta stor omsorg att aldrig låta en odämpad beam från Pulsade laser in i uppkonvertering detektorn, som hög energi kommer sannolikt att skada detektorn.
- Slå på den pulsade lasern och säkerställa det körs stabil och på ett lämpligt energi per puls.
- Överlappa den pulsade lasern och guide balken enligt följande.
- Justera vinkeln på M1 tills den pulsad lasern överlappar guide balken på den balk combiner (M2).
- Justera vinkeln på M2 så att pulsad laser återspeglas i förökning riktning guide balken.
- Kontrollera att balkarna överlappar på den balk combiner och på ett avstånd av 1 m, 2 m och 3 m.
- Hitta tyngdpunkten i balkarna efter L1. Placera gasflödet eller lågan skall mätas så att mätpunkten är i brännpunkten av balkar.
- Anslut utlösa signalen från Pulsade laser till uppkonvertering detektorn till tid gate detektion. Om tid försening och gate tiden inte är kända, börja med en lång varaktighet av utfärda utegångsförbud för tid och begränsa den när signalen hittas.
- Sök setup, särskilt GODSVAGNAR plattorna, för vandrande reflektioner och säkerställa de blockeras.
- Optimera anpassningen av signalstrålen i uppkonvertering detektorn enligt följande.
- Om en signal är synliga på detektorn, justera M5 och M6 för att maximera signalen.
- Om ingen signal är synliga på detektorn, minska ND filtrering av en storleksordning. Upprepa tills en signal ses.
- Om signalen på detektorn är mättad, öka ND filtrering av en storleksordning. Upprepa tills signalen inte längre är mättad.
- Gå igenom stegen 2.19.1-2.19.3 tills signalen inte längre kan ökas genom att justera M5 och M6.
- Placera blocket strålen så att den blockerar signalstrålen, som anges i figur 2. Ta sedan bort de ND-filter.
- Justera positionen för balk blocket att minska någon spridning (bakgrundsljud) sett på detektorn. Ta stor omsorg inte avblockera strålen av misstag och exponera detektorn för direkt ljus från Pulsade laser.
- Förbereda gasflödet eller lågan skall mätas. Sedan skanna pulsad laser över våglängdsområdet av intresse, medan du spelar in signalen från detektorn. Detta genererar ett spektrum som matchande gassammansättning på överlappningen av balkar.
3. laser Diode programvara
- Kör programmet LabVIEW AuroraOne control.vi.
- Klicka på knappen Laser TEC aktivera på position och på den RW/TW säkerhet knapp off.
- Ställa lasern aktuella genom att ange önskat värde i mikrowatt i fältet TA börvärdet . Ange ett nytt värde medan lasern körs kommer att justera nuvarande.
- Klicka på knappen TA aktivera på positionen på att vända laserdiod nuvarande på.
- Stäng av laserdiod genom att klicka på den TA aktivera och Laser TEC aktivera av ståndpunkter.
4. IDS bildsystem utveckling
- Kör programmet LabVIEW UpconversionControl.vi.
- Under fliken Inställningar, ställa in slutartiden till 8 µs genom att skriva värdet i fältet märkt Exponeringstid (SEK).
- Under fliken Inställningar, ange slutaren på Global i fältet märkt IDS slutare.
- Under fliken DBG, ange utlösare till Lo_Hi i fältet ID trigger .
- Under fliken DBG2, ange fördröjning för utlösare i fältet märkt IDS avtryckaren dröjsmål (µs). Detta beror på fördröjningen mellan trigger pulsen och laserpulsen från lasern.
- Under fliken Inställningar, ange den off ange x och off set y till 480 bildpunkter och bredd och höjd till 96 pixlar.
- Under fliken Inställningar, ställa in bildhastigheten till 0 i fältet Framerate . Detta ställer in kameran för att ta en bildruta per utlösa signalen.
- Aktivera kameran genom att trycka på knappen Starta förvärv .
- När en signal går in detektorns uppkonvertering, kommer signalen att visas som en ljuspunkt i mitten av bilden som visas till höger i programmet LabVIEW. Använd funktionen Rect på vänster bar bredvid bilden för att rita en 6 x 6 pixel rektangel runt signalen.
- Visa den genomsnittliga intensiteten från de markerade pixlarna som funktion av tiden under fliken Historik . Vid behov kan grafen rensas genom att högerklicka på den och välja Rensa.
- Tryck på knappen Stoppa förvärv att stoppa förvärv av nya bilder från kameran.
- Exportera data genom att högerklicka på intensitet tomten, Välj kopieringsdata till Urklippoch klistra in data i en .txt -fil.
- Stäng av kameran och kontroll programmet genom att trycka på knappen Stäng .
Representative Results
Figur 3 visar signalen från olika koncentrationer av HCN i N2, medelvärde över tre skanningar för varje koncentration. Blandningen var beredd genom att blanda 300 ppm HCN i N2 med ren N2 med massa flow styrenheter och värma den till 843 K. Den centrala toppen är raden P(20) ν1 vibrationella bandet av HCN. Infällt i figur 3 visar toppvärdet av signalen från denna linje för varje koncentration, med en andra gradens polynom som passar. Koncentration beroende på signalen kan beskrivas av S = ax2 + b, där S är signalen och a och b passande konstanter17. Absoluta koncentrationen mätningar i en flamma kräver en kalibrering mätning som visas här, en känd temperatur, att avgöra den konstant en. Temperaturen i mätning volymen i lågan måste också mätas som den konstant en skalor med temperatur; en fullständig diskussion om detta har redan publicerat17. Poling perioden används för denna mätning var 21,5 µm, med en crystal temperatur på 104,5 ° C.
Figur 4 visar rådata från en förblandad flamma. Det visar fem på varandra följande skanningar över de olika 3229.5-3232 cm-1varje skanning tar cirka 65 s. Dessa täcker tre grupper av vattenlinjerna, används för temperaturmätningar. Helst när du arbetar med ett stabilt system, bör varje skanning över samma intervall vara identiska, som den koncentration, trycket och temperaturen ska vara oförändrade. Intensiteten av de linjer ses här förändringarna drastiskt från scan att skanna, vilket är eftersom den laser pulsläge och energi inte är stabil från scan till scan. Resultat som dessa är oanvändbart såvida laser puls energi har registrerats och kan användas för att sortera mätningar med tillräcklig laser puls energi från resten. Poling perioden används för denna mätning var 21,5 µm, med en crystal temperatur på 123 ° C.
I figur 4sett bakgrunden spridningen inte eftersom ett ND2-filter användes till att minska signalen, att undvika mättar detektorn. För svagare signaler konstaterades det att bakgrunden spridningen är storleksordningen 5 pJ per puls, vilket motsvarar den signal som genereras från raden P(20) ν1 vibrationella bandet 100 ppm HCN i rumstemperatur.
Figur 1: Diagram över uppkonvertering detektorn. U1-U7 och UH är speglar, högreflekterande (HR)-belagd för 1 064 nm. Alla speglar är plan, med undantag för U3, som har en 200 mm krökningsradie. Speglar U1-U5 var gjorda för att vara transmissiv vid våglängden laserdiod, att säkerställa att LD ljuset inte når detektorn. U6 är transmissiv för signalen matas ut, 650-1050 nm. U7 är transmissiv för mitten-IR-signalen. UH är 95% reflekterande för 1 064 nm och 5% transmissiv. Den sökvägslängden från U1 och U3 är 156 mm, och sökvägslängden från U3 U7 är 202 mm. L4 och L5 är akromatisk linser med 60 mm och 75 mm brännvidd, respektive. Båda är transparent för 650-1050 nm. Kameran används som detektor placeras 75 mm från L5. Fältet hålighet är vertikalt polariserad. Den PPLN som används här har poling perioder av 21.0 µm, 21,5 µm, 22,0 µm, 22,5 mm och 23,0 µm, och crystal längd är 20 mm. Synligt och infrarött detektorn används är en UI-5240CP-NIR-GL kamera från IDS Imaging utvecklingssystem. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Diagram över inställningen DFWM. M1 är en dielektrisk spegel högreflekterande (HR) på våglängden av pulsad laser. M2 är en dielektrisk spegel belagda vara HR på våglängden av Pulsade laser och transmissiv för HeNe guide balken. M3-M6 är skyddade guld speglar. B.C.1 och B.C.2 är GODSVAGNAR tallrikar 1 och 2. L1 är en 500 mm brännvidd CaF2 objektiv med en 5,1 cm diameter. L2 är en 500 mm brännvidd CaF2 objektiv med en diameter på 2,54 cm. L3 är en 100 mm brännvidd CaF2 objektiv. Pulsad laser är vertikalt polariserad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Signalen från olika koncentrationer av HCN i N2. Den centrala toppen är raden P(20) ν1 vibrationella bandet av HCN. Infällt visar topp signalen från varje koncentration (diamond markörer), med en andra ordningens polynom passar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Fem på varandra följande skanningar av ca. 65 s varaktighet per skanning, gjort i en förblandad flamma. Lasern skannades över spänna av 3229.5-3232 cm-1. De topparna här är signalen från flera samlingar av H2O övergången linjer. Signalen sänktes med en ND1 och ett ND0.6 filter, för att undvika mättar detektorn. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: A GODSVAGNAR plattan sett från sidan. Det är ett block av genomskinligt material. På ingångssidan, är den belagd med en antireflective beläggning på hälften av ytan. Laserstrålen går in här och når utgångssidan, där halva ytan är belagd för en 50%-överföring. Det ljus som reflekteras internt i plattan bryts sedan till delen av ingångssidan belagd för hög reflektion och återspeglas genom den övre halvan av utgångssidan. Detta delas en balk i två parallella strålar. Samma effekt kan uppnås med en stråldelare och spegel, men en stråldelare skulle ha lite reflektion från bakre yta, vilket skulle kunna öka bakgrund buller. Dessutom kräver GODSVAGNAR plattan ingen justering att säkerställa två balkar produceras är parallella. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Intracavity kraften som en funktion av pump laserdiod nuvarande för modulen uppkonvertering. Varje punkt är ett genomsnitt av kraften mätt från tre separata anpassningar av kaviteten och felstaplarna indikerar spridningen mellan de separata linjeföring. Avvikelsen från den idealiska laser beteenden orsakas av termiska effekter i laser crystal och PPLN kristall. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Precisionen i anpassningen av pulsad laserstrålen är kritisk till metoden känslighet. Särskild försiktighet måste iakttas så att balkarna är separerade med lika avstånd efter GODSVAGNAR plattorna och att balkarna är lika fördelade runt centrum av L1. Avvikelse från detta kommer att leda till en betydande nedgång i signalintensitet och därmed känslighet. Likaså måste vara försiktig att uppkonvertering modul hålrummet körs i grundläggande läge och att signalstrålen stämmer för en optimal överlappning med uppkonvertering pumpen. Signalen kan enkelt minskas med en eller två tiopotenser om uppkonvertering hålrummet körs i fel läge eller signal beam överlappning med fältet hålighet är suboptimalt. Detta inkluderar att placera L3 med millimeter precision så att signalen beam fokus är mitt PPLN kristallen. Med en optimal överlappning och 80 W hålighet makt är en 6% quantum effektivitet av SFG scenen möjligt. Med detektorn och våglängd som används här, är totalt upptäckt effektiviteten 3%. Den maximala intracavity makt som kan nås är 120 W, men 80 W kan uppnås på ett tillförlitligt sätt. Verkningsgraden är proportionell mot intracavity makt, signaler som spelats in med en annan intracavity makt kan därför jämföras om intracavity kraften registreras.
Den viktigaste begränsande faktorn för känsligheten i denna metod är den bakgrunden spridning, som överröstar svaga signaler. För att begränsa denna spridning, är det viktigt att optiken är förvaras dammfritt, särskilt objektiv L1. Också måste vara försiktig att placeringen av kvarteret strålen minimerar bakgrundsljud. Beam blocket bör placeras på en xy-scenen så att den kan flyttas på ett kontrollerat sätt i både horisontellt och vertikalt plan, vinkelrätt mot riktningen av balkar.
Skanning diskuteras här sker med PPLN vid en konstant temperatur. Verkningsgraden är proportionell mot sinc (ΔkL/2π)2, där Δk är fas obalans och L är längden crystal. Full bredd halv högst (FWHM) denna funktion är bandbredden för detektorn vid en konstant PPLN crystal temperatur. FWHM av denna funktion ändras med crystal temperatur och våglängd men är generellt storleksordningen 5 cm-1 i mitten av-IR, för en 20 mm lång kristall. Undantaget är nära 4 200 nm, där bredden ökar kraftigt18.
Ingen skalning optik har inkluderats i konfigurationen diagrammet i figur 2, eftersom det finns ett antal frågor att överväga innan du bestämmer vad, om något, skalning behövs. För den inställning som beskrivs här, är pulsad laserstrålen parallellt på en beam diameter på ca. 2 mm när de når L1. Detta ger en balk midja på brännpunkten av ungefärligt 400 µm, med en våglängd på 3 µm. Vid genomförandet av denna teknik, kan det vara önskvärt att ändra brännvidd av L1, antingen eftersom mer utrymme behövs mellan L1 och brännpunkten av praktiska skäl, eller att förkorta mätvolym genom att öka konvergensen vinklar, vilket kan vara göras genom att använda en kortare brännvidd. I det här fallet beam midjan på kontaktpunkten bör hållas vid ca. 400 µm och kollimerad balken ska skalas för att matcha. Det bör dock, beaktas att öka beam diameter utan att öka avståndet mellan bjälkarna kommer att öka spridningen från beam block kanter. Den rumsliga upplösningen ges av överlappningen av pump balkar. För den inställning som beskrivs här, är överlappning 6 mm lång, så volymen mätning är en cylinder med 6 mm lång, med en radie av 0,4 mm.
För att uppnå kvasi-faser-matchning i PPLN kristallen, måste både mid-IR-signalen och fältet intracavity av uppkonvertering hålrummet vara utomordentligt polariserad i PPLN kristallen. Uppkonvertering hålrummet bör byggas så att polariseringen av fältet intracavity är automatiskt rätt. Om mitten-IR laser inte matchar redan detta, kan en waveplate infogas på mitten av-IR laser utdata till vända polariseringen.
IR-DFWM kräver relativt hög energi pulserar, 1-4 mJ, kombinerat med en smal nog laser linewidth lös molekylär linjer som är storleksordningen 0,1 cm-1. Lasrar som matchar de här kriterierna generellt har låg upprepning priser och datainsamling med DFWM görs i allmänhet genom att skanna våglängden av laseren, detta begränsar mätningar hastighet. Detta innebär att metoden är mest lätt tillämpas mätningar där ämnet inte ändras över tid, även om det har också tillämpats på temporally löst mått17. En annan begränsning är att partiklar i eller nära mätvolym på grund av känsligheten för spritt ljus, skapar scattering händelser som helt dränka den signal17. Fas-match skick uppkonvertering processen är spektralt smalt, som hjälper till att eliminera brus från den termiska bakgrundsstrålningen, men det gör scannar över bred våglängdsområden mer tidskrävande som PPLN temperaturen måste ställas in för att hålla den signal våglängd fas-matchade.
Framtida användning av IR-DFWM planeras för detektion av NH3 i lågor, eller att fortsätta arbetet med HCN i mer praktiska miljöer. De mest uppenbara medel för förbättring av metoden är att ytterligare minska bakgrunden från spritt ljus. Detta kan göras med hjälp av spatial filtrering av signalstrålen när signalen har samlats in av L2.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Finansieringen tas emot av författarna inom ramen för Horisont 2020 som EU är mycket uppskattad. Detta arbete utfördes som en del av det halva TECH Marie Curie-nätverket för innovativa utbildning [H2020-behöriga myndigheters-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.
