Summary
Burada, hassas, dağınık şekilde çözülmüş gaz spektroskopisi orta-kızılötesi bölgede gerçekleştirmek için bir protokol dejenere dört-dalga karıştırma upconversion algılama ile kombine kullanarak mevcut.
Abstract
Biz gaz türler tek yüzde için ppm aralığında nicel tespiti için gaz spektroskopisi kızılötesi dejenere dört-dalga (IR-DFWM), karıştırma kullanarak gerçekleştirmek için bir protokol mevcut. Yöntemin ana amacı yok geçişler algılama için kullanılabilir gibi görünür veya en yakın-IR spektral aralığında var düşük konsantrasyon türler dağınık şekilde çözülmüş algılama olduğunu. IR-DFWM yanma araştırma büyük bir avantaj olan bir yöntemdir nonintrusive, ekleme olarak bir sonda bir alevin içine bu büyük ölçüde değiştirebilirsiniz. IR-DFWM upconversion algılama ile birleştirilmiştir. IR-DFWM sinyal IR Silikon tabanlı dedektörleri galip gürültü özelliklerinin avantajlarından yararlanmak için yakın-IR bölgesine taşımak için toplam frekans üretimi bu algılama düzenini kullanır. Bu işlem aynı zamanda termal arkaplan ışımasının çoğunu reddeder. Burada sunulan Protokolü IR-DFWM optik doğru hizalaması ve nasıl bir intracavity upconversion tespit sistemi hizalamak için odaklanmıştır.
Introduction
IR-DFWM IR etkin türler ppm düzeyinde1, Uzaysal çözünürlük ile konsantrasyonları ölçme olanağı sağlar. IR-DFWM yanma araştırma için çekici bir tekniği yapmak birçok avantajı vardır. Alevler büyük ölçüde probları ekleme tarafından değiştirilebilir ancak IR-DFWM nonintrusive. Türün konsantrasyonları alev yapısında farklı noktalarda ölçülebilir bir Uzaysal çözünürlük var. Alev termal emisyon ayrılmış olabilir tutarlı bir sinyal sağlar. Ayrıca, DFWM daha az bir alev içinde belirlemek zor olabilir (LIF), çarpışma lazer kaynaklı çevre daha, örneğin, Floresans duyarlıdır. Teknik IR aktif onları diğer teknikleri ile ölçmek için kullanılan eksikliği görünür veya yakınında görünür geçişler ama çoğu moleküler türlerin erişim de sağlar.
DFWM birçok avantajı olsa da, alternatif teknikleri bir veya daha fazla bu avantajları değil gerekirse tercih olabilir. Uzaysal çözünürlük gerekmiyorsa, emme tabanlı teknikleri daha basit ve daha doğru olacaktır. Moleküler türlerin söz konusu görünür veya IR yakınındaki bölgede geçişler varsa, LIF LIF bir uçak yerine sadece tek bir noktadan dağınık şekilde çözülmüş bilgi sağlayabilir tercih, olabilir. Doğru koşullar altında DFWM ve PS, gibi doğrusal olmayan yöntemleri de tek-shot 2D ölçümleri2için kullanılabilir. Bu doğrusal olmayan yöntemler sinyal kuşbaşı sonda kiriş yoğunluğu orantılıdır ve pompa beam 2D ölçüm alanı kapsayacak şekilde genişletilmiş gerekir gibi bu çok yüksek nabız enerjileri ya da bir arada yüksek üçüncü dereceden duyarlılık gerektirir, yüksek konsantrasyonda ve çalışmak için düşük gürültülü. Bu nedenle, çoğunlukla moleküler türler üzerinde bir olasılık bu olup olmadığını bağlıdır.
DFWM ile daha doğrudan bir yarışmada, diğer dört dalga-karıştırma-tabanlı spektroskopik teknikler vardır: tutarlı Anti-Stokes Raman spektroskopisi (CARS), lazer kaynaklı ızgara spektroskopisi (LIGS) ve polarizasyon spektroskopisi (PS). ARABALAR sıcaklık ve yanma ortamlarda büyük türler ölçmek iyi kurulmuş bir teknik var. Ancak, olarak algılama sınırı genellikle yaklaşık % 12küçük türler, algılamak için duyarlılık eksik. PS ve DFWM daha önce benzer duyarlılığı için gösterilmiştir ve algılama3sınırlar; Ancak, DFWM sinyal-gürültü oranı PS sadece 64-fold artış5göstermiştir iken upconversion algılama4ile birleştirildiğinde 500 katına gösterilmiştir. LIGS orta-IR ışık kullanarak bir ızgara inducing avantajı vardır, ama etkisi bu ızgara bir sonda lazer kırılma tarafından önlemler ve bu sonda lazer dalga boyu6serbestçe seçilebilir. Bu nedenle, sonda lazer dalga boyu burada hızlı, düşük gürültü Silikon tabanlı dedektörleri kullanılabilir görünür bölgede olabilir. Upconversion kullanılarak elde edilir aynı avantajı bu. LIGS çarpışma2tam konsantrasyon veya sıcaklık ölçümleri ile LIGS için konsantrasyon büyük gaz bilinmesi gereklidir anlamına gelir, çok hassastır dezavantajı var mı. Bu sorunu aşmak, LIGS DFWM ve PS benzer bir duyarlılık atmosfer basıncı3var, ama nerede LIGS artırır artan basınç, ile sinyal DFWM ve PS sinyalini daha düşük basınçlarında tercih edilen anlamına gelir artar Teknik basınç çevre üzerinde bağlıdır.
Upconversion algılama toplam frekans üretimi kullanarak daha kısa olanlar uzun dalga boylarında bir sinyal dönüştürme tekniğidir. Bunun yararı dedektörleri görünür veya yakın kızılötesi aralığında düşük gürültü ve daha yüksek bir hassasiyet meslektaşlarına IR orta bölgede olması. Bu ilk beş yıl önce araştırılmıştır7, ama çok az dikkat gördüm ve o zamandan beri düşük dönüşüm verimliliği nedeniyle kullanın. Ancak, gelişmeler periyodik olarak kat lityum üretim teknikleri ile niobate (PPLN) ve diğer malzemeler ile yüksek güçlü lazer diyot (LDs), teknik artırılmış kullanılabilirlik çekti yüksek doğrusal olmayan katsayıları, de arttı son on yılda, orta-IR tek foton hafiye8,9,10,11, IR lidar12,13ve hyperspectral gibi alanları kapsayan uygulamaları ile dikkat 14,15 ve mikroskopi16görüntüleme. IR-DFWM ile upconversion algılama birleştiren ana avantajı faz-maç durumu ağır zayıf sinyalleri algılanmasını sağlayan termal arka plan karşı ayrımcılık bir dar açısal ve spektral kabul grup olmasıdır.
Protocol
Kurulum upconversion Dedektör şekil 1' de gösterilen; aynalar, lensler veya diğer optik iletişim kuralında başvurulan burada veya Şekil 2' de gösterilen IR-DFWM kurulum diyagramı tanımlanır. İletişim kuralı bölüm ağırlıklı olarak kullanılan bu yöntem için optik kurulum hizalama ile ilgilenir ve işlem herhangi bir noktada tüm çalışan ekipman off off çevirerek duraklatılmış. Tüm yansıtmalar el ile ayarlanır. Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı burada kamera kontrol etmek için kullanılan ve LD upconversion dedektörü ile birlikte teslim edildi. Yazılımın kullanımı protokol bölümün sonunda açıklanmıştır.
1. Upconversion
- Hizalama kavite, UH, son ayna şekil 1' de gösterilen şekilde yerleştirin.
- PPLN kristal kristal Dağı kaldırın.
- IR-duyarlı kartı yerleştirin (1,064, hassas nm) A konumunda bkz. şekil 1.
- UH tutan yatay ve dikey yönde aşırı pozisyonu için kinematik Dağı açısını açın. O zaman, LD üzerinde yaklaşık 1/3 maksimum çıkış açmak.
- Hizalama kavite aşağıdaki gibi hizalayın.
- UH tarafından 0,2 ° yatay yönde değiştirmek.
- UH diğer dikey açı bir aşırı üzerinden IR kartı hizalama boşluğu üzerinden bir kiriş için izlerken süpürme.
- Kavite lasing başlayana kadar 1.5.1 ve 1.5.2 numaralı adımları yineleyin.
- Hizalama kavite lasing, UH açı için daha yüksek bir güç ayarlama ve LD sürücünün geçerli azaltarak arasında geçiş. LD hizalama boşluğu daha fazla yüksek kayıp vardır tam kavite sürmeyi dimensioned. Ah bırakarak ışın IR kartı ile kolayca görünür ama hayır daha fazla nerede güç tutun.
- IR kartını çıkarın.
- U3 Merkezi (şekil 1) içinde hizalama ışını yansıtılır şekilde U2, açısını ayarla.
Not: Hizalama boşluğu üzerinden kiriş U2 Merkezi vurmak gerekir. - Işın U4, U5 ve U6 devam ediyor ve U7 için U6 yansıtılır U3 açısını ayarlayın.
- Işın PPLN Dağı PPLN kristal kanalının orta yükseklikte geçmesine gerekir ve kristal yüzeye dik girmeniz gerekir. U2 yükseklik ve açı, kiriş deliklerinden düzey ve ortalanmış tutmak için U3 ayarlarken doğru kullanmak x ve y.
- Germanyum kaldırmak ve IR kartı U7, arkasında kalan boşluk bırakarak bir IR ışını-ecek vurmak belgili tanımlık oyun kağıdı ve floresan boşluğu hizalama kişi tarafından görülebilir yerleştirirsiniz.
Not: Hizalama ışın şimdi PPLN geçen olacağım mount ve U7 vurdu. - Yansıma U7 üzerinden geri hizalama ışın yol boyunca geçer U7, açısını ayarlayın. U7 açı ayarlarken, IR kartındaki bir kiriş için dikkat et. Ne zaman bir ışın görülür, U7 çıkışı maksimize açısını ayarlayın.
- Mount PPLN bağlayın. Böylece bir kanal kristal ışın geçer mount yerleştirildiğinden emin olun.
- Substep (Adım 1.13.1, 1.13.2 veya 1.13.3) ile devam mevcut durumu eşleşen.
- Bir IR ışını U7 çıkarken hala görünür durumdaysa, U7 çıkış en üst düzeye çıkarmak ve sonraki adıma devam etmek için ayarlayın.
- U7 çıkmadan IR ışın artık görünür değilse, 1/3 maksimum çıkış için geçerli LD artırmak ve eğer IR ışın-ebilmek var olmak seen denetleyin. Bir ışın görünür durumdaysa, adım 1.13.1 gidin; Aksi takdirde, 1.13.3 adıma gidin.
- Önceki düzey ve izleme PPLN merkezi bir kanal üzerinden geçerse görmek için rehber ışın için geçerli LD azaltın. Eğer o does değil, adım 1,7 ama Mount PPLN ile yineleyin.
- LD UH çıkartın ve B konumundaki LP750 filtre takmak (bkz. şekil 1).
- Güç ölçer U7 arkasında yer ama ışın IR kartım ile kontrol etmek için boşluk bırakın. O zaman, tam güç LD açın.
- Sinyal güç ölçer üzerinde görülür, küçük açı değişiklikleri U7 için güç metre bir sinyal için izlerken yapın. Bir sinyal bulunursa, sonraki adıma geçin; Aksi takdirde, adıma 1.1 dönmek.
- Boşluğu hizalama U2 ve U7 kavite temel Gauss modunda çalışıyor kontrol etmek için bir yüksek güçlü IR kartı kullanırken güç, en üst düzeye çıkarmak için açılarını ayarlayarak en iyi duruma getirme.
Not: daha yüksek bir sipariş modunda daha yüksek güç almak mümkün olabilir, lazer temel modda çalışıyordur dönüşüm verimliliği için gerekli olduğunu. - Kavite temel modda çalışır durumda değil ise, daha yüksek bir sipariş modunda birden çok loblar IR kartında görünür nerede çalıştırıyor olmanız. Onlar birleştirme kadar loblar daha yakın birlikte IR kartında getirilen U7 açarak kapatın.
- Güç çıkışı, U7 kaydedin. Bu ve U7 iletim intracavity alanını hesaplamak için kullanır. Kalibrasyon eğrisi şekil 6'dakibu değere karşılaştırın.
- Kavite optimize edilmiş, LP750 filtreyi kaldırmak ve germanyum pencere yeniden bağlayın.
2. IR-DFWM hizalama
Not: DFWM kurulum bir diyagram için Şekil 2 bakın.
- Helene lazer ışını (rehber ışın) yatay olarak M4 için L1 gidiş L1 şehir merkezinde vurmak için M3 ve M4 ile hizalayın.
- VAGON 1 kirişe (dikey yön) 45 ° açıyla Montaj levhası ve ışın geçer, iki çıkış ışını üreten emin olun.
- VAGON 2 (yatay yönde) kirişler için 45 ° açıyla Montaj levhası ve ışın geçer, dört çıkış kirişler üreten emin olun. Belgili tanımlık ışık gibi bir kare köşelerinde aralıklandırılmış plakaları açılarını ayarlayın.
- Belgili tanımlık ışık lens merkezi etrafında eşit aralıklandırılmış kadar L1 konumunu ayarlamak.
- Şimdi, Kur programının hizalamak için kullanılabilmeleri unblocked ışın blok tarafından bloke ışın yol boyunca üretilen sinyal ışınını bırakın. Bu üç pompa kirişler engeller, ancak geçmesine dördüncü ışın, sinyal ışınını sağlar iris yerleştirin.
- Sinyal ışınını collimated yüzden L2 hizalayın. Bunu yapmanız gerekir odak uzaklık-ecek var olmak kılavuz kiriş ve orta IR dalga boyu için farklı dalga boyunda pulslu lazer ve görsel denetim tarafından değil, odak uzaklık kullanarak
- Rehber ışın upconversion dedektörü ve dik giriş penceresine giriş penceresi merkezli M5 ve M6 yerleştirin.
- L3 bir odak uzaklığı optik mesafe PPLN Merkezi'nden yerleştirin. Germanyum pencere, kavite ayna ve PPLN kırılma göz önünde.
- Upconversion modülü ayarla ve (bkz. Bölüm 1) açın.
- Germanyum pencere upconversion Dedektör kaldırın. Bu bir 1064 ışın upconversion modülü çıkmak izin verir.
- Helene lazer ışın ve 1064 ışın--dan belgili tanımlık upconversion bulmak M6 L2 üst üste 1064 ışın sinyal ışınını üzerine taşımak için kullanarak ve M5 L3 rehber ışın 1064 kiriş üzerine taşımak için kullanarak üst üste. Rehber ışın kadar iki aynalar arasında alternatif ve 1064 aynı yolu izleyin.
- Germanyum pencere yeniden bağlayın.
- Birkaç ND filtre ışın yolunun upconversion dedektörü önünde yerleştirin. Yüksek enerji büyük olasılıkla belgili tanımlık bulmak zarar verir gibi bir unattenuated ışını lazer üzerinden upconversion dedektörü izin asla çok dikkat edin.
- Lazer üzerinde açmak ve istikrarlı ve darbe başına uygun bir enerji, çalıştığından emin olun.
- Lazer ve rehber ışın aşağıdaki gibi üst üste.
- Lazer ışını birleştirici (M2), rehber ışın ile çakışıyor kadar M1 açısını ayarlayın.
- Lazer rehber ışın yayma yönünde yansıtılır M2 açısını ayarlayın.
- Kontrol belgili tanımlık ışık ışını birleştirici ve 1 m, 2 m ve 3 m mesafelerde örtüşmez.
- Odak noktası kiriş L1 sonra bulmak. Gaz akışı veya ölçüm noktası kiriş odak noktada olması ölçülecek alev yerleştirin.
- Tetikleyici sinyal upconversion bulmak-e doğru zaman geçidi algılama lazer bağlayın. Zaman gecikmesi ve kapı zaman bilinmemektedir zaman geçit uzun bir süre ile başlatmak ve sinyal bulunduğunda aşağı dar.
- Kur, özellikle vagon levha, hatalı yansımaları için arama ve onlar engellemeyin.
- Upconversion Dedektör sinyal ışınını hizalamasını aşağıdaki gibi optimize edin.
- Bir sinyal dedektörü üzerinde görünür durumdaysa, M5 ve M6 sinyal en üst düzeye çıkarmak için ayarlayın.
- Sinyal Dedektörü üzerinde görünür durumdaysa, bir büyüklük tarafından filtre ND azaltmak. Bir sinyal görülür kadar yineleyin.
- Dedektör sinyal doymuş bir büyüklük tarafından filtre ND artırın. Sinyal artık doymuş kadar yineleyin.
- Adımları 2.19.1-2.19.3 sinyal artık M5 ve M6 ayarlayarak artırılabilir yap.
- Şekil 2' de gösterildiği gibi sinyal ışınını engeller ışın blok yerleştirin. O zaman, ND filtreleri kaldırın.
- Dedektör üzerinde görülen herhangi bir saçılma (arka plan gürültü) azaltmak için ışın blok konumunu ayarlamak. Değil yanlışlıkla ışın engelini kaldırmak ve lazer ışığı yönlendirmek için Dedektör maruz çok dikkat edin.
- Gaz akışı veya alev ölçülecek hazırlayın. O zaman, lazer Dedektör sinyal kaydederken faiz, dalgaboyu aralığında tarama. Bu çakışmayı çubuk ya da gaz bileşimi kiriş eşleşen bir spektrum oluşturur.
3. lazer diyot yazılım
- AuroraOne control.viLabVIEW programını çalıştırın.
- Üzerinde pozisyon için lazer TEC etkinleştir düğmesini tıklatın ve RW/TW Emanet düğmesi kapalı' yı tıklatın.
- Lazer geçerli microwatts TA ayar noktası alanında istediğiniz değeri girerek ayarlayın. Lazer çalışırken yeni bir değer girerek geçerli ayarlar.
- Lazer diyot üzerinde geçerli açmak için üzerinde konuma TA etkinleştir düğmesini tıklatın.
- Lazer diyot TA etkinleştirmek ve kapalı pozisyonlar için Lazer etkinleştirmek TEC tıklatarak açın.
4. Kimliklerini görüntüleme geliştirme sistemleri
- UpconversionControl.viLabVIEW programını çalıştırın.
- Sekmesi ayarlarıaltında çekim hızı 8 µs Pozlama süresi (saniye)etiketli alana değer yazarak ayarlayın.
- Sekme ayarlarıaltında çekim türü Kimliklerini çekimetiketli alana Global için ayarlayın.
- DBGsekmesi altında tetikleyici türü Kimliklerini tetikleyici alanında Lo_Hi için ayarlayın.
- DBG2sekmesi altında Kimlikleri tetikleyici gecikme (µs)etiketli alana tetikleyici gecikme ayarlayın. Bu tetikleyici darbe üzerinden lazer lazer nabız arasında gecikme göre değişir.
- Sekme ayarlarıaltında kapalı set x ve set y 480 piksel ve genişlik ve Yükseklik 96 piksel olarak ayarlayın.
- Sekme ayarlarıaltında kare hızı kare hızı alanına 0 olarak ayarlayın; Bu bir çerçeve başına tetikleyici sinyal almak için kamerayı açar.
- Kamerayı Edinme Başlat düğmesini tıklatarak açın.
- Bir sinyal upconversion dedektörü girerken, sinyal görüntü LabVIEW programında sağda gösterilen ortasında parlak bir nokta olarak görünür. Sinyal çevresinde 6 x 6 piksel dikdörtgen çizmek için görüntü yanında sol çubuğunda Rect işlevini kullanın.
- Süresi Geçmiş sekmesi altında bir fonksiyonu olarak seçilen piksel yoğunluğu ortalama görüntüleyin. Gerekirse, grafiği tıklatıp temizleyinseçerek temizlenebilir.
- Yeni kameradan ve edinimi durdurmak için Alım durdur düğmesine basın.
- Yoğunluk arsa sağ tıklatarak verileri verme, veri panoya kopyalaseçin ve verileri bir .txt dosyasına yapıştırın.
- Kamera ve kontrol programı'nı kapat Kapat düğmesine basarak.
Representative Results
Şekil 3 N2üç inceden inceye gözden geçirmek her yoğunlaşması üzerine ortalama olarak, HCN farklı konsantrasyonlarda sinyalini gösterir. Karışım 300 ppm HCN saf N2 kullanarak N2 kitle akış denetleyicileri karıştırma ve 843 K. için Isıtma tarafından hazırlanmıştır Merkez tepe HCN ν1 titreşim grup P(20) satırıdır. Şekil 3 ' te iç metin uygun ikinci dereceden bir polinom ile bu hat üzerinden sinyal her toplama için en yüksek değeri gösterir. Konsantrasyon bağımlılık sinyal S tarafından tanımlanabilir = ax2 + nerede S sinyal ve a ve b sabitleri17uygun b,. Bir alev ölçümlerde mutlak konsantrasyon burada sabit birbelirlemek için bilinen bir sıcaklıkta gösterildiği gibi bir kalibrasyon ölçüm gerektirir. Sabit bir ısısı ile olarak alev ölçü birimindeki sıcaklığında da ölçülen gerekir; Bu tam bir tartışma zaten yayımlanmış17. Bu ölçüm için kullanılan Baton bir kristal sıcaklık 104.5 ° c ile 21,5 µm dönemimdi
Şekil 4 premix alev ham verileri sunar. Beş ardışık tarar aralık 3229.5-3232 cm-1, yaklaşık 65 alarak her tarama gösterir s. Waterlines sıcaklık ölçümleri için kullanılan, bu kapak üç grup. Konsantrasyon, basınç ve sıcaklık değişmeden olması gerektiği gibi istikrarlı bir sistem ile çalışırken, her tarama aynı aralığı boyunca aynı, en ideali. Lazer pulse modu ve enerji değil istikrarlı tarama Tarama çizgileri görüldü burada değişiklikler yoğunluğunu büyük ölçüde üzerinden tarama için tarama, çünkü. Lazer darbe enerji kayıt altına alınmış ve ölçümleri ile yeterli lazer darbe enerji geri kalan sıralamak için kullanılan sürece bu gibi sonuçları kullanılamaz olur. Bu ölçüm için kullanılan Baton bir kristal sıcaklık 123 ° c ile 21,5 µm dönemimdi
Çünkü bir ND2 filtre Dedektör doyurarak önlemek için sinyal, azaltmak için kullanılan şekil 4' te, arka plan saçılma görmedim. Zayıf sinyalleri için arka plan saçılma ν1 titreşim grubu 100 ppm HCN, oda sıcaklığında P(20) satırından oluşturulan sinyal karşılık gelen darbe başına 5 pJ sırasına olduğu bulundu.
Resim 1: Diyagramı upconversion dedektörü. U1 U7 ve UH aynalar, yüksek oranda yansıtıcı (HR) vardır-1,064 için kaplı nm. Tüm yansıtmalar 200 mm yarıçapı kavisi U3 dışında uçaklar. Aynalar U1-U5 LD ışık dedektörü ulaşmak değil emin olmak için lazer diyot, dalga boyu Aktarıcı olarak yapılmıştır. U6 upconverted sinyal için 650-1.050 nm Aktarıcı. U7 için orta-IR sinyalinin Aktarıcı. % 95 1,064 nm ve %5 Aktarıcı için yansıtıcı şey. U1 üzerinden yol uzunluğu U3 için 156 mm ve U3 üzerinden yol uzunluğu U7 için 202 mm. L4 ve L5 are achromatic lensler ile 60 mm ve 75 mm odak uzaklık değerlerinde, anılan sıraya göre. Her ikisi de 650-1.050 nm için saydamdır. Kamera dedektörü olarak kullanılan 75 mm L5 arasında yer alıyor. Kavite alan dikey polarize. Burada kullanılan PPLN 21,0 µm, 21,5 µm, 22.0 µm, 22.5 mm ve 23,0 µm dönemleri poling vardır ve kristal uzunluğu 20 mm. Kullanılan görünür ve yakın kızılötesi Dedektör Kimlikleri geliştirme sistemleri görüntüleme UI-5240CP-NIR-GL kameradan var. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2: Diyagramı DFWM kurulumunun. M1 bir Dielektrik yüksek oranda yansıtıcı (HR) lazer dalga boyu aynasıdır. M2 lazer ve Aktarıcı Helene rehber ışın için dalga boyu İK olmak kaplı bir Dielektrik aynasıdır. M3-M6 çoğu altın aynalar korumalı. B.C.1 ve B.C.2 vagon tabakaların 1 ve 2 olduğunu. L1 bir 500 mm odak uzaklığı CaF2 5,1 cm çapında camdır. L2 bir 500 mm odak uzaklığı CaF2 lens çapı, 2,54 cm. L3 bir 100 mm odak uzaklığı CaF2 lens olmasıdır. Lazer dikey polarize. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : Sinyal HCN farklı konsantrasyonları N2. Merkez tepe HCN ν1 titreşim grup P(20) satırıdır. İlave uygun bir ikinci dereceden polinom ile her konsantrasyonu (elmas işaretleri), tepe sinyalini gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4 : Ca. 65 s oranı premix alev içinde bitmiş, süresi içinde beş ardışık tarar. Lazer 3229.5-3232 cm-1aralığında taranmıştır. Burada görülen doruklarına H2O geçiş satırlarının birkaç koleksiyon gelen sinyal vardır. Sinyal Dedektörü doyurarak önlemek için bir ND1 ve bir ND0.6 filtre ile düşürülmüştür. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: A vagon plaka taraftan görüldü. Şeffaf malzeme bloğudur. Giriş tarafında, yüzey yarısı üzerinde antireflective bir kaplama ile kaplı. Lazer ışını buraya girer ve nerede yarım yüzey % 50 iletimi için kaplanır çıktı yan ulaşır. Dahili olarak plaka yansıyan ışık sonra giriş tarafı yüksek yansıması için kaplı parçası için kırılan ve çıkış yan üst yarısı boyunca yansıtılır. Bu bir ışın iki paralel kiriş böler. Aynı etkiyi bir ışın ayırıcı ve bir ayna ile elde edilebilir, ama bir ışın ayırıcı bazı yansıma arka plan gürültü artış olabilir arka yüzeyinden olurdu. Ayrıca, vagon plaka üretilen iki kiriş paralel olduğundan emin olmak için hiçbir hizalama gerektirir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: Intracavity güç pompa lazer diyot upconversion ölçü birimi için geçerli bir fonksiyonu olarak. Her noktası güç boşluğu, üç ayrı hizalamaları ölçülen ortalama ve hata çubuklarını ayrı diziler arasında yayılmış gösterir. İdeal lazer davranış sapma lazer kristal ve PPLN kristal termal etkileri nedeniyle oluşur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Discussion
Lazer ışını hizalamasını duyarlığını yöntemi duyarlılık önemlidir. Belgili tanımlık ışık tarafından eşit mesafede vagon plakaları sonra ayrılır ve kirişler aynı derecede vardır L1 Merkezi aralıklı sağlamak için özel bakım alınması gerekir. Bu sapma için önemli bir düşüş sinyal şiddeti ve duyarlılık, bu nedenle, yol açacaktır. Aynı şekilde, upconversion modülü kavite temel modda çalışıyor ve sinyal ışınını için en uygun bir çakışma upconversion pompa ile hizalanır özen göstermelidir. Sinyal kolayca bir ya da iki büyüklük upconversion kavite yanlış modunda çalışıyorsa veya sinyal ışını örtüşme boşluğu alanı suboptimal azaltılabilir. Bu böylece sinyal ışını odak noktası PPLN kristal ortasında L3 milimetre hassasiyetle yerleştirerek içerir. SFG Sahne Alanı'nın % 6 kuantum verimliliği en uygun bir örtüşme ve 80 W kavite güç ile mümkündür. Dedektör ve burada kullanılan dalga boyu ile toplam algılama verimliliği % 3 olduğunu. 120 W, ulaşılan maksimum intracavity güç olduğunu ama 80 W güvenilir bir şekilde elde edilebilir. İntracavity güç kaydedildiyse farklı intracavity güç ile kaydedilen sinyalleri karşılaştırılabilir şekilde dönüşüm verimliliği intracavity iktidara orantılıdır.
Ana sınırlayıcı bir faktör bu yöntemin hassasiyeti zayıf sinyaller boğan arka plan saçılma olduğunu. Bu saçılma sınırlamak için optik olduğunu kritik tozsuz tuttu, özellikle L1 lens. Ayrıca ışın blok konumunu arka plan gürültü en aza indirir özen göstermelidir. Kontrollü bir şekilde hem de yatay ve dikey düzlemde, belgili tanımlık ışık yönünü dikey hareket edebilir böylece ışını blok bir xy sahnede yer almalıdır.
Burada tartışılan tarama sabit bir ısıda PPLN ile yapılır. Burada Δk faz uyuşmazlığı, L kristal uzunluğu Eşitle (ΔkL/2π)2, dönüşüm verimliliği orantılıdır. Bu işlev (FWHM) maksimum yarım tam genişliği bant genişliği sabit bir PPLN kristal sıcaklık dedektörü var. Bu işlev FWHM kristal sıcaklık ve dalga boyu ile değiştirir ama genelde 5 cm-1 orta-IR, 20 mm uzun crystal için satılabilir. 4.200 istisnadır nm, nerede genişliği büyük ölçüde18artırır.
Hiçbir ölçeklendirme optik dahil edilmiştir Şekil 2, Kur diyagramında herhangi ölçekleme gerekirse ne, karar vermeden önce dikkate alınacak konulara bir dizi olduğundan. Burada anlatılan kurulum için lazer ışını bir ışın çapı ca. 2 mm L1 ulaşan zaman collimated. Bu yaklaşık 400 µm, bir dalga boyu 3 µm kullanarak odak noktada bir ışın bel verir. Bu tekniği uygularken, daha fazla alan L1 ve odak noktası arasında pratik nedenlerden dolayı gereklidir çünkü ya L1, odak uzunluğunu değiştirmek için veya ölçü birimi-ebilmek var olmak yakınsama açıları artırarak kısaltmak için uygun olabilir daha kısa bir odak uzaklığı kullanılarak yapılır. Bu durumda, ca. 400 µm odak noktası ışını belinden tutulmalıdır ve collimated ışını maç ölçekli olmalıdır. Bu, ancak, ışın çapı aralığı kiriş artırmadan artan ışın blok kenarlarından saçılma artacağını dikkate alınması. Uzaysal çözünürlüğü pompa kirişler çakışma tarafından verilir. Ölçüm birimi 6 mm uzunluğunda, bir silindir 0.4 mm yarıçaplı bu yüzden burada anlatılan kurulum için çakışma 6 mm boyundadır.
Yaşantımızı-aşamalı PPLN kristal eşleştirme elde etmek için orta-IR sinyalinin ve upconversion boşluğu intracavity alanında olağanüstü PPLN kristal polarize gerekir. Böylece intracavity alanın polarizasyon otomatik olarak doğru upconversion kavite inşa edilmelidir. Orta-IR lazer zaten bu aynı değilse, bir waveplate çıkış polarizasyon açmak için orta-IR lazer eklenebilir.
IR-DFWM nispeten yüksek enerji gerektirir bakliyat, 1-4 mJ, kombine bir dar ile 0.1 cm-1sırasına çoğu moleküler satırlar gidermek için yeterli lazer linewidth. Genellikle bu ölçütlere uyan lazerler düşük tekrarlama oranları, ve DFWM ile veri toplama genellikle lazer dalga boyu tarayarak yapılır gibi bu ölçümler hızı sınırlar. Bu da geçici çözümlenmiş ölçüleri17' ye uygulanmış, ancak nerede konu zaman içinde değişmez ölçüler yöntemi en kolay uygulanan anlamına gelir. Dağınık ışığa duyarlılık nedeniyle, parçacıklar veya ölçü birimi yakınında tamamen sinyal17boğulmak saçılma olayları oluşturmak, başka bir kısıtlamadır. Faz-maç upconversion işleminin termal arkaplan ışımasının gürültü ortadan kaldırmak yardımcı olan hayalice dar durumda, ama o geniş dalga boyu aralıklarında tutmak için PPLN sıcaklık şekilde ayarlanmış olarak daha uzun sürmesine taramalar yapmak sinyal dalga boyu faz eşlemeli.
IR-DFWM gelecekteki kullanımlar NH3 alevler içinde veya daha pratik ortamlarda HCN ile çalışmaya devam etmek için tespiti için planlanmaktadır. Yöntem geliştirmek için en belirgin arka dağınık ışık daha da azaltmak için yoludur. Bu yapılabilir kayma sinyal L2 tarafından toplandıktan sonra sinyal ışınını filtresini kullanma.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Ufuk 2020 Avrupa Birliği kapsamında yazarlar tarafından alınan fon çok teşekkür ederiz. Bu eser orta TECH Marie Curie yenilikçi eğitim ağ [H2020-MSCA-ITN-2014-642661] parçası olarak yapılmıştır.
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.
