Name: 적외선 타락 한 4 웨이브 혼합 양적 가스 감지에 대 한 업 검출 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 42 s
Description: 배우세요 중적외선 영역에서 업컨버전 검출을 활용한 퇴화 4파 혼합 기법으로 저농도 미량 성분의 민감한 가스 분광 분석 방법을. 이 프로토콜은 배경 잡음을 효과적으로 억제하여 기존 기술로는 검출할 수 없는 미량 물질 연구에 활용됩니다.

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유럽 연합에 의해 수평선 2020의 범위 내에서 작가 의해 받은 자금 매우 감사 드립니다. 이 작품은 중간 기술 마리 퀴리 혁신적인 교육 네트워크 [H2020-MSCA-ITN-2014-642661]의 일환으로 실시 됐다.

업 검출기의 설치 그림 1;에 나와 거울, 렌즈, 또는 프로토콜에서 참조 하는 다른 광학 여기 또는 IR DFWM 설치 그림2의 다이어그램에서 식별 됩니다. 프로토콜 섹션 정렬이 메서드를 사용 하는 광학 설치와 주로 거래 하 고 과정 일시 중지할 수 있습니다 언제 든 지 모든 실행 중인 장비를 해제 하 여. 모든 거울은 수동으로 조정 됩니다. 소프트웨어 사용 여기 카메라를 제어 하 고 LD 업 검출기 함께 전달 했다. 소프트웨어를 사용 하 여 프로토콜의 끝에 설명 되어 있습니다.
1입니다. 업
<ol><li>그림 1에 표시 된 대로 맞춤 강의 어, 끝 거울을 배치 합니다.</li>
	<li>PPLN 크리스탈 크리스탈 산에서 제거 합니다.</li>
	<li>적외선-민감한 카드 배치 (1,064에 민감한 nm) 위치 A에서 그림 1을 참조 하십시오.</li>
	<li>둘 다 수평 및 수직 방향으로 극단적인 위치에 어를 들고 운동학 산의 각도 설정 합니다. 그런 다음, 최대 출력의 약 1/3에는 LD 켭니다.</li>
	<li>다음과 같이 정렬 구멍에 맞춥니다.<ol>
<li>수평 방향으로 0.2 ° 어의 각도 변경 합니다.</li>
		<li>정렬 구멍에서 빔에 대 한 IR 카드를 보는 동안 다른 하나의 극단에서 어의 수직 각도 청소.</li>
		<li>1.5.2, 1.5.1 단계를 반복 하 여 구멍을 lasing 시작.</li>
		<li>정렬 구멍을 lasing 때 높은 전력에 대 한 어의 각도 조정 하 고 LD 드라이브 전류를 줄이는 사이 전환 합니다. LD는 맞춤 구멍 보다 훨씬 더 높은 손실이 전체 캐비티를 치수입니다. 어디 어 떠나 빔은 IR 카드와 함께 쉽게 볼 수 있지만 그 보다 더 힘을 유지.</li>
	</ol>
</li>
	<li>IR 카드를 제거 합니다.</li>
	<li>맞춤 빔 U3 (그림 1)의 센터에에서 반영은 u 2의 각도 조정 합니다. 참고: 맞춤 구멍에서 빔 센터에서 u 2 히트 한다.</li>
	<li>광선과 U4, U5, U6 계속 U7 U6에서 반영은 u 3의 각도 조정 합니다.</li>
	<li>빔을 PPLN 마운트 PPLN 크리스탈의 채널의 중간 높이에서 통과 해야 하 고 그것은 표면에 수직인 크리스탈을 입력 해야 합니다. U 2를 사용 하 여 구멍을 통해 수준과 중심 광속을 유지 하는 U3를 조정 하면서 높이 각도, 수정 x 및 y.</li>
	<li>게르 마 늄 창 제거 하 고 구멍을 떠나는 적외선 빔, 카드를 칠 것 이다 형광 구멍을 정렬 하는 사람에 게 볼 수 있도록 U7, 뒤에 IR 카드를 놓습니다. 참고: 맞춤 빔 지금 전달 됩니다는 PPLN 통해 탑재 고 U7.</li>
	<li>U7에서 반사 맞춤 광선의 경로 다시 전달 U7의 각도 조정 합니다. U7의 각도 조정 하는 동안 IR 카드에 빔에 대 한 감시. 광선은 볼 때, U7 출력을 최대화 하기 위해 각도 조정 합니다.</li>
	<li>PPLN 마운트에 탑재 합니다. 빔을 결정에서 채널 중 하나를 통해가 마운트 위치 다는 것을 확인 하십시오.</li>
	<li>계속 substep (1.13.1, 1.13.2, 또는 1.13.3 단계)와 일치 하는 현재 상황.<ol>
<li>적외선 빔 U7 종료 여전히 표시 됩니다, U7 출력을 극대화 하 고 다음 단계를 계속 하기를 조정 합니다.</li>
		<li>적외선 빔 U7 종료 표시 이상 경우 LD 전류는 최대 출력의 1/3를 증가 하 고 IR 광선을 볼 수 있는 경우 확인 하십시오. 보 표시 경우 단계로 1.13.1; 이동 그렇지 않으면, 단계 1.13.3로 이동 합니다.</li>
		<li>이전 수준과 추적 PPLN 채널 중 하나에의 중심에 통과 있는지 가이드 빔 현재 LD를 줄일 수 있습니다. 그렇지 않으면 단계 1.7에서에서 하지만 마운트에 PPLN 반복 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>LD 해제, 어, 제거 및 위치 B에서 LP750 필터를 연결 (하십시오 그림 1참조).</li>
	<li>U7 뒤에 파워 미터를 배치 하지만 IR 카드 광선을 확인 하기 위한 공간. 그런 다음, 전체 전력에서 LD를 켭니다.</li>
	<li>신호 전원 측정기에 볼 경우 작은 각도를 변경할 U7, 파워 미터에 신호에 대 한 보고 하는 동안. 신호 발견 되 면 계속 다음 단계; 그렇지 않으면, 단계 1.1 돌아갑니다.</li>
	<li>U 2와 U7 캐비티 기본적인 가우스 모드에서 실행 되 고 있는지 확인 하 고 전력 IR 카드를 사용 하는 동안 전원, 극대화의 각도 조정 하 여 캐비티 맞춤을 최적화 합니다. 참고: 높은 순서 모드에서 더 높은 파워를 얻을 수 있습니다, 하는 동안 그것은 레이저를 기본 모드에서 실행 하는 변환 효율을 위해 필수적.</li>
	<li>구멍은 기본 모드에서 실행 되 고 있지, 그것은 실행 됩니다 더 높은 순서 모드에서 여러 개의 돌출부 IR 카드에 표시 됩니다. 돌출부는 가까이 가져 함께 IR 카드에 병합 될 때까지 U7를 돌립니다.</li>
	<li>U7에 전원 출력을 기록 합니다. 이 고 U7의 전송에 사용 하 여 intracavity 필드를 계산. 보정 곡선은 그림6에서에이 값을 비교 합니다.</li>
	<li>캐비티 최적화 된 LP750 필터를 제거 하 고 게르 마 늄 창 다시 연결.</li>
</ol>2. IR DFWM 맞춤
참고: DFWM 설치의 다이어그램 그림 2 를 참조 하십시오.
<ol><li>M 3와 m 4는 센터에서 L1 L1 m 4에서 가로 려 HeNe 레이저 빔 (가이드 빔)에 맞춥니다.</li>
	<li>빔 (수직 방향)에 45 ° 각도로 BOXCARS 플레이트 1을 삽입 하 고 빔을 통과, 2 개의 출력 빔 생산 보장.</li>
	<li>광선 (수평 방향)에 45 ° 각도로 BOXCARS 접시 2를 삽입 하 고 광선 통과 4 개의 출력 빔 생산 보장. 광선은 사각형에 모서리 같은 간격 플레이트의 각도 조정 합니다.</li>
	<li>광선은 렌즈의 중심 간격 동일 하 게 될 때까지 l 1의 위치를 조정 합니다.</li>
	<li>두고 신호 빔 빔 빔 블록 설치의 나머지 부분에 맞게 사용할 수 있도록 지금, 차단에 의해 차단의 경로 따라 생성 됩니다. 그래서 그것은 3 개의 펌프 광속을 차단 하지만 통과 4 빔 신호 빔 수 아이리스를 놓습니다.</li>
	<li>그래서 신호 빔 조명을 L2를 맞춥니다. 이렇게 해야 합니다 초점 길이 가이드 빔과 중반-적외선의 파장에 대 한 다른 것으로 육안 검사 및 펄스 레이저의 파장에 초점 길이 사용 하 여</li>
	<li>되도록 가이드 빔 업 검출기 및 입력된 창에 수직의 입력된 창에서 중심 이다 M5 그리고 M6를 놓습니다.</li>
	<li>L3 하나의 초점 광학 거리를 PPLN의 센터에서 두십시오. 게르 마 늄 창, 캐비티 미러와 PPLN 자체의 굴절을 고려해 야 합니다.</li>
	<li>업 모듈을 설정 하 고 (섹션 1 참조)에 그것을 설정 합니다.</li>
	<li>게르 마 늄 창 업 검출기의 제거. 이를 업 모듈 종료 1064 빔 수 있게 됩니다.</li>
	<li>오버랩 HeNe 레이저 빔과 업 컨버전 검출기에서 1064 빔 M6 L2에서 겹치는 신호 빔에 1064 빔 이동을 사용 하 여 그리고 M5 L3 1064 빔에 가이드 빔을 사용 하 여. 가이드 빔까지 2 개의 거울 사이 대체 하 고는 1064 동일한 경로 따릅니다.</li>
	<li>게르 마 늄 창을 다시 연결 합니다.</li>
	<li>업 검출기 앞 빔 경로에 여러 ND 필터를 배치 합니다. 상당한 주의를 절대 업 검출기에 펄스 레이저에서 unattenuated 빔 높은 에너지 검출기 손상 가능성이 것입니다.</li>
	<li>펄스 레이저를 켜고 안정적이 고 적절 한 펄스 당 에너지에서 실행 중인지 확인 하십시오.</li>
	<li>오버랩 펄스 레이저와 가이드 빔 같습니다.<ol>
<li>펄스 레이저 가이드 빔 빔 결합기 (M2)에 중복까지 m 1의 각도 조정 합니다.</li>
		<li>펄스 레이저 가이드 빔의 전파 방향에 반영 하는 M2의 각도 조정 합니다.</li>
		<li>광선 빔 결합기, 1m, 2m, 3m의 거리에 겹치며 확인 하십시오.</li>
	</ol>
</li>
	<li>L1 후 광선의 초점을 찾아. 가스 흐름 또는 불꽃 측정 점은 광선의 초점에 있도록 측정을 놓습니다.</li>
	<li>시간 게이트 탐지 업 검출기에 펄스 레이저에서 트리거 신호를 연결 합니다. 시간 지연 및 게이트 시간 알 수 없는, 경우 시간 게이트의 긴 기간으로 시작 하 고 신호를 발견 하는 때 그것을 좁혀.</li>
	<li>특히 BOXCARS 플레이트, 잘못 된 반사에 대 한 설치 프로그램을 검색 하 고 그들은 막혀.</li>
	<li>최적화 업 검출기에 신호 광속의 맞춤 다음과 같습니다.<ol>
<li>신호 검출기에 표시 되는 경우 조정 신호를 최대화 하기 위해 M5와 M6.</li>
		<li>신호 검출기에 표시 되는 경우 1 개의 크기 순서에 의해 필터링 ND를 줄일 수 있습니다. 신호를 볼 때까지 반복 합니다.</li>
		<li>검출기에 신호 포화 한 크기 순서에 의해 필터링 ND를 늘리십시오. 신호가 더 이상 포화 될 때까지 반복 합니다.</li>
		<li>M5와 M6 조정 하 여 신호를 증가 수 이상 때까지 단계 2.19.1-2.19.3를 통해 이동 합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>그림 2에 표시 된 대로 신호 빔 차단 되도록 빔 블록을 놓습니다. 그런 다음, ND 필터를 제거 합니다.</li>
	<li>검출기에 본 어떤 산란 (배경 잡음)을 줄이기 위해 빔 블록의 위치를 조정 합니다. 실수로 빔을 차단 펄스 레이저에서 빛을 직접 검출기 노출 상당한 주의 해 라.</li>
	<li>가스 흐름 또는 불꽃 측정을 준비 합니다. 그런 다음, 감지기에서 신호를 기록 하는 동안 관심의 파장 범위에 걸쳐 펄스 레이저 스캔. 일치 하는 광선의 오버랩에서 가스 구성 스펙트럼을 생성 됩니다.</li>
</ol>3. 레이저 다이오드 소프트웨어
<ol><li>LabVIEW 프로그램 AuroraOne control.vi를 실행 합니다.</li>
	<li>레이저 TEC 활성화 버튼에 위치 하 고는 RW/TW 안전 버튼 을클릭 합니다.</li>
	<li>현재 레이저 microwatts TA 세트 포인트 필드에서에 원하는 값을 입력 하 여 설정 합니다. 레이저 실행 되는 동안 새 값을 입력 하는 것은 현재를 조정 됩니다.</li>
	<li>레이저 다이오드에서 현재 설정 에 위치로 따 활성화 버튼을 클릭.</li>
	<li>TA 활성화 및 해제 위치로 레이저 TEC 활성화 를 클릭 하 여 레이저 다이오드를 해제 합니다.</li>
</ol>4입니다. ID 영상 개발 시스템
<ol><li>LabVIEW 프로그램 UpconversionControl.vi를 실행 합니다.</li>
	<li>탭 설정, 설정 셔터 속도 8 µs에 노출 시간 (초)을표시 하는 필드에 값을 입력 합니다.</li>
	<li>설정탭에서 셔터 유형을 설정 글로벌 ID 셔터를 표시 하는 필드에.</li>
	<li>DBG탭은 트리거 유형을 설정 Lo_Hi ID 트리거 필드에.</li>
	<li>DBG2탭 트리거 지연 ID 트리거 지연 (µs)를표시 하는 필드에 설정 합니다. 이 트리거 펄스 레이저에서 레이저 펄스 사이의 지연에 따라 달라 집니다.</li>
	<li>설정탭에서 96 픽셀에는 x에서 설정 및 설정된 y에서 480 픽셀 및 너비 와 높이 설정 합니다.</li>
	<li>설정탭에서 프레임 속도 0에서에서 설정 프레임 속도 필드; 이 트리거 신호 당 하나의 프레임을 카메라를 설정 합니다.</li>
	<li>수집 시작 버튼을 눌러 카메라를 켭니다.</li>
	<li>신호는 입력할 때 업 검출기, 신호 LabVIEW 프로그램에 오른쪽에 표시 된 이미지의 중간 밝은 반점으로 표시 됩니다. 이미지 옆 왼쪽된 바에 Rect 함수를 사용 하 여 신호 주위 6 x 6 픽셀 영역을 그릴.</li>
	<li>기록 탭에서 시간의 기능으로 선택 된 픽셀에서 평균 강도 볼 수 있습니다. 필요한 경우, 그것을 마우스 오른쪽 단추로 클릭 하 고 취소를 선택 하 여 그래프를 지울 수 있습니다.</li>
	<li>카메라에서 새 이미지의 수집을 중지 하려면 중지 수집 버튼을 누릅니다.</li>
	<li>강도 음모를 마우스 오른쪽 단추로 클릭 하 여 데이터를 내보낼 데이터를 클립보드로 복사, 선택한 .txt 파일에 데이터를 붙여 넣습니다.</li>
	<li>종료 버튼을 누르면 카메라 및 제어 프로그램을 해제 합니다.</li>
</ol>

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</ol>

저자는 공개 없다.

펄스 레이저 광선의 맞춤의 정밀도 방법의 감도에 중요 합니다. 광선은 구분 하 여 동등한 거리 BOXCARS 접시 후 고 L1의 중심 주위 광선 동등 하 간격을 둔 특별 한 배려를가지고 한다. 이 편차 신호 강도 및, 따라서, 감도에 상당한 드롭 이어질 것입니다. 마찬가지로, 해야 합니다 주의 업 모듈 구멍 기본 모드에서 실행 되 고 신호 광속 업 펌프와 최적의 중복에 대 한 정렬 됩니다. 업 구멍 잘못 된 모드에서 실행 중인 또는 구멍 필드와 신호 빔 중복 차선 신호 쉽게 하나 또는 두 개의 크기 순서에 의해 줄일 수 있습니다. 이 신호 빔 초점 PPLN 크리스탈 중간 L3 밀리미터 정밀도 배치 포함 됩니다. 최적의 중복 및 캐비티 권력의 80 W, SFG 무대의 6% 양자 효율 가능 하다. 검출기와 여기에 사용 되는 파장, 총 검출 효율 3%입니다. 연결할 수 있는 최대 intracavity 힘은 120 W, 80 승을 안정적으로 얻을 수 있습니다 하지만. 변환 효율 intracavity 파워에 비례 이므로 intracavity 전원 기록 하는 경우 다른 intracavity 전원 기록 신호를 비교할 수 있습니다.
이 방법의 감도 대 한 주요 제한 요소는 약한 신호를 익사 배경 산란. 제한 하려면이 산란, 그것은 중요 한 광학은 L1 렌즈 특히 먼지-무료 유지. 해야 합니다 또한 주의 빔 블록의 위치 배경 잡음을 최소화 한다. 둘 다 수평 및 수직 평면에 광선의 방향에 수직인 제어 방식으로 이동할 수 있도록 빔 블록 xy 스테이지에 배치 되어야 합니다.
여기서 설명 하는 스캔 PPLN 일정 한 온도에서 이루어집니다. 변환 효율은 싱크 (ΔkL/2π)2, 어디 Δk 위상 부정합 이며 L 크리스탈 길이에 비례 이다. 이 함수에의 전체 폭 절반 최대 (FWHM) 일정 한 PPLN 크리스털 온도에서 검출기의 대역폭입니다. 이 함수의 FWHM 크리스털 온도와 파장 변경 하지만 5 c m-1 는 중반-IR, 20 m m 긴 크리스탈에 대 한에 순서는 일반적으로. 예외는 4200 근처 nm, 크게18의 너비 증가.
수 있는 스케일링이 필요한 경우, 무엇을 결정 하기 전에 고려해 야 할 문제가 있기 때문에 없음 배율 광학 그림 2에서 설치 다이어그램에 포함 되었습니다. 여기에 설명 된 설치에 대 한 펄스 레이저 빔은 ca. 2 m m의 빔 직경에 조명을 L1에 도달. 이 3 µ m의 파장을 사용 하 여 약 400 µ m의 초점에 광속 허리를 제공 합니다. 이 기술을 구현할 때 것도 실용적인 이유로 L1과 초점 사이 더 많은 공간이 필요 하기 때문에 L1의 초점 거리를 변경 하려면 또는 증가 될 수 있는 융합 각도 측정 볼륨을 짧은 초점 길이 사용 하 여 이루어집니다. 이 경우에, ca. 400 µ m에 초점에 광속 허리를 유지 한다 고 조명을된 빔 일치 하도록 조정 해야 합니다. 그러나 그것은,, 한다 고려해 빔 직경을 증가 하는 광선의 간격을 증가 하지 않고 빔 블록 가장자리에서 산란을 증가할 것 이다. 공간적 해상도 펌프 광속의 중첩에 의해 주어진 다. 여기에 설명 된 설치에 대 한 중복 이므로 6 mm, 측정 볼륨은 0.4 m m의 반경으로 긴, 6 밀리미터의 실린더.
즉-상 일치 PPLN 크리스탈에 달성, 중반-적외선 신호 및 업 컨버전 구멍의 intracavity 필드 해야 될 매우 편광 PPLN 크리스탈에. Intracavity 필드의 양극 화는 자동으로 바로 업 캐비티 건설 되어야. 중반-적외선 레이저 일치 하지 않는 경우 이미이, 한 파장판 중반-적외선 레이저 편광을 출력에 삽입할 수 있습니다.
IR-DFWM 해야 상대적으로 높은 에너지 펄스, 1-4 엠 제이, 0.1 c m-1의 순서에 있는 분자 라인을 해결 하기 위해 충분 한 레이저 선 폭 좁은와 결합. 일반적으로 이러한 조건과 일치 하는 레이저 낮은 반복 속도, 그리고 DFWM와 데이터 수집 일반적으로 레이저의 파장을 검색 하 여 이루어집니다,이 측정 속도 제한. 즉, 비록 그것은 일시적으로 해결된 측정17에 적용도 방법은 가장 쉽게 측정 대상이 시간이 지남에, 변경 되지 않습니다에 적용 됩니다. 또 다른 한계, 흩어져 빛 감도 때문에 입자 또는 측정 볼륨 근처에 완전히 빠져 신호17산란 이벤트를 만들 것입니다. 업 프로세스의 단계 일치 상태는 괴기 하 게 좁은 열 배경 방사선에서 잡음을 제거 하는 데 도움이 하지만 만들어가 검사 넓은 파장 범위 더 PPLN 온도 유지 하도록 조정 해야 합니다 소모는 위상 일치 한 신호 파장
IR-DFWM의 미래 사용 NH3 화 염, 또는 계속 더 실용적인 환경 HCN과 작품의 탐지를 위해 계획 된다. 개선 방법에 대 한 가장 확실 한 방법 더 흩어져 빛에서 백그라운드를 줄이는 것입니다. 이렇게 수 신호를 L2에서 수집 후 신호 광속의 공간 필터링을 사용 하 여.

IR-DFWM는 ppm 수준1, 공간 해상도 IR 활성 종의 농도 측정 하는 기능을 제공 합니다. IR-DFWM에는 연소 연구를 위한 매력적인 기술 있도록 몇 가지 장점이 있습니다. 화 염의 프로브를 삽입 하 여 크게 바뀔 수 있다 하지만 IR DFWM 식. 그것이 공간 해상도, 화 염 구조에 다른 지점에서 종의 농도 측정할 수 있다. 불꽃의 열 방출에서 격리 될 수 있는 일관 된 신호를 제공 합니다. 또한, DFWM은 불꽃에 결정 하기가 어려울 수 있습니다 있는 충돌 보다 환경, 예를 들어, 레이저 유도 된 형광 (LIF)에 덜 민감합니다. 기술은 또한 IR 부족 표시 또는 근처에 보이는 전환 다른 기술로 그들을 측정 하는 데 사용할 수 있습니다 하지만 활성 분자 종에 대 한 액세스를 제공 합니다.
DFWM는 다양 한 장점, 하는 동안 대체 기술을 이러한 장점 중 하나 이상 필요 하지 않은 경우에 것이 좋습니다 수 있습니다. 공간 해상도 필요 하지 않습니다, 경우 흡수 기반 기술을 간단 하 고 더 정확한 것입니다. 있다면 문제의 분자 종 전환 표시 또는 근처-적외선 영역에서 LIF LIF 비행기 보다는 그냥 단일 지점에서 공간 해결된 정보를 제공할 수 있는 바람직 수 있습니다. 오른쪽 조건 하에서 비선형 메서드를 DFWM 및 PS, 또한 단일-샷 2D 측정2사용할 수 있습니다. 이러한 비선형 방법의 신호는 cubed, 조사 빔 강도에 비례 하며 펌프 빔 2D 측정의 영역을 확장 해야 합니다,이 매우 높은 펄스 에너지 또는 높은 3 차 민감성의 조합 높은 농도, 그리고 작동 하도록 낮은 배경 잡음. 따라서, 그것은 주로에 따라 다릅니다 분자 종 가능성 인지.
DFWM와 더 직접적인 경쟁에는 다른 4 파-혼합-기반 분 광 기술이 있다: 일관 된 반 스톡 스 라만 분광학 (자동차), 레이저 유도 격자 분광학 (LIGS), 및 분극 분광학 (PS). 자동차 온도 및 연소 환경에서 주요 종 측정을 위한 기초가 튼튼한 기술입니다. 그러나, 그것은 검출 한계는 일반적으로 약 12로 부 종, 검출 감도를 부족 하다. PS 및 DFWM 이전 유사한 감도가지고 표시 되었습니다 및 검색 제한3. 그러나, DFWM의 신호 대 잡음 비율 비율 500 PS 64-fold 증가5만 표시는 업 검출4와 결합 될 때 증가 표시 되었습니다. LIGS 중간 적외선 빛을 사용 하 여 유도 하는 격자의 이점이 있다 그러나이 격자의 프로브 레이저의 굴절에 의해 효과 측정 하 고이 프로브 레이저의 파장을 자유롭게 선택할 수 있습니다6. 프로브 레이저의 파장 일 수 있으며, 따라서, 빨리, 저 잡음 실리콘 기반 감지기를 사용할 수 있는 표시 영역에 이것은 업 컨버전을 사용 하 여 동일한 이점 이다. LIGS 그것은 매우 민감하고 충돌2, 즉 주요 가스 종의 농도 알고 있어야 정확한 농도 또는 LIGS 온도 측정에 대 한 단점은 있다. 그 문제를 극복 하는 경우 LIGS는 대기압3, DFWM 및 PS에 유사한 감도 있지만 어디에서 LIGS 신호, 압력 증가 함께 증가 DFWM 및 PS에서 신호 낮은 압력에서 선호 의미 기술 압력 환경에 따라 달라 집니다.
업 탐지는 합계 주파수 세대를 사용 하 여 짧은 것에서 긴 파장 신호를 변환의 기술입니다. 이것의 장점은 표시 또는 가까운 적외선 범위에서 검출기는 낮은 잡음과 그들의 대조 물 보다는 더 높은 감도 중반-적외선 영역에서. 이것은 처음 5 년 전 조사7, 하지만 아주 작은 관심 보았고 이후로, 낮은 변환 효율성 때문 사용. 그러나, 정기적으로 poled 리튬에 대 한 생산 기술 진보와 함께 피리 (PPLN) 및 높은 비선형 계수, 또한 고 출력 레이저 다이오드 (Ld), 기술은의 증가 가용성을 끌고있다와 기타 자료 증가 지난 10 년간, 중반 IR 단일 광자 검출8,,910,11, IR lidar12,13, hyperspectral 등의 분야를 다루는 응용 프로그램에 주의 14,15 그리고 현미경 검사 법16이미지입니다. 업 감지 적외선 DFWM와 결합 하 여의 주요 장점은 위상 정합 조건 열 배경, 약한 신호 감지를 허용에 대 한 무 겁 게 차별 좁은 각도 및 스펙트럼 수용 밴드 있다.

<table><tbody><tr><td>Nd:YAG laser, pulsed</td><td>Spectra Physics</td><td>Quantarau Pro-290-10</td><td>수량: 1 (mid-IR 레이저 펌핑용)</td></tr><tr><td>Nd:YAG 레이저, 주입 시딩 시스템</td><td>Spectra Physics</td><td>6350</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>NIR 염료 레이저 - OPA 시스템</td><td>Sirah</td><td>OPANIR</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>HeNe 레이저</td><td>Thorlabs</td><td>HNL100LB</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>Dichroic mirror</td><td>LASEROPTIK</td><td>NA</td><td>수량: 1, 맞춤 주문: 중IR용 HR, 632 nm</td></tr><tr><td>보호 골드 미러</td>용 투명 <td>Thorlabs</td><td>PF10-03-M01</td><td>수량: 5&nbsp;</td></tr><tr><td>BoxCars Plate</td><td>LASEROPTIK</td><td>NA</td><td>수량: 2, 맞춤 주문</td></tr><tr><td>xy-stage</td><td>Thorlabs</td><td>DTS25/M</td><td>수량: 2</td></tr><tr><td>500 mm 초점 거리 CaF2 렌즈, &Oslash; 2''</td><td>Eksmaoptics</td><td>110-5523E</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>500 mm 초점 거리 CaF2 렌즈, &Oslash; 1''</td><td>Thorlabs</td><td>LA5464</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>100 mm 초점 거리 CaF2 렌즈, &Oslash; 1''</td><td>Thorlabs</td><td>LA5817</td><td>수량: 1&nbsp;</td></tr><tr><td>아이리스, &오슬래시; 50 mm</td><td>Thorlabs</td><td>ID50/M</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>ND1 IR 필터 (ZnSe)</td><td>Thorlabs</td><td>NDIR10B</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>ND2 IR 필터 (ZnSe)</td><td>Thorlabs</td><td>NDIR20B</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>ND3 IR 필터 (ZnSe)</td><td>Thorlabs</td><td>NDIR30B</td><td>수량: 2</td></tr><tr><td>상향 변환 검출기</td><td>NLIR</td><td>NA (가장 가까운 동등물: U3055 3.0-5.5&micro; m)</td> <td>수량 : 1, 맞춤 주문&nbsp;</td></tr><tr><td>VIS/NIR 검출기 카드</td><td>Thorlabs</td><td>VRC2</td><td>수량: 1, (저강도)</td></tr><tr><td>NIR 검출기 카드</td><td>Thorlabs</td><td>VRC4</td><td>수량: 1, (고강도)</td></tr><tr><td>MIR 검출기 카드</td><td>Thorlabs</td><td>VRC6S</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>열 전력 센서 헤드</td><td>Thorlabs</td><td>S302C</td><td>수량: 1</td></tr><tr><td>파워 미터 콘솔</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>수량: 1</td></tr></tbody></table>

적외선 타락 한 4 웨이브 혼합 양적 가스 감지에 대 한 업 검출

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

우리는 단일 %를 ppm 범위에서 가스의 정량적 검출을 위한 가스 분광학 적외선 퇴 화 4 웨이브 혼합 (IR-DFWM)를 사용 하 여 수행 하기 위한 프로토콜을 제시. 메서드의 주요 목적은 탐지를 위해 사용 될 수 있는 표시 또는 가까운 IR 스펙트럼 범위에 있는 아무 전환 낮은 농도 종의 공간 해결된 검색 이다. IR-DFWM 연소 연구에 큰 이점 인 식 방법은 삽입으로 프로브는 화 염으로 변경할 수 있습니다 그것은 크게. IR-DFWM 업 탐지와 결합 된다. 이 탐지 체계 합계 주파수 세대를 사용 하 여 IR DFWM 신호를 중반-IR에서 실리콘 기반 검출기의 우수한 잡음 특성을 활용 하기 위해 근처-적외선 영역으로 이동. 이 프로세스는 또한 열 배경 방사선의 대부분을 거부합니다. 여기에 제시 된 프로토콜의 초점은 IR DFWM 광학의 적절 한 맞춤에 및 intracavity 업 검출 시스템을 정렬 하는 방법에 있습니다.

그림 3 N2, 각 농도 대 한 3 개의 검사 동안 평균 HCN의 다른 농도에서 신호를 보여준다. 혼합 혼합 300 ppm 순수한 N2 를 사용 하 여 N2 에서 HCN 질량 흐름 컨트롤러 843 공화국을가 열 하 여 준비 되었다 중앙 피크 HCN의 ν1 진동 밴드의 P(20) 라인 이다. 그림 3에서 인세트 2도 다항식 적합으로 각 농도 대 한이 줄에서 신호의 피크 값을 보여 줍니다. 신호의 농도 의존성에 의해 기술 될 수 있다 = 도끼2 + b, 여기서 S 는 신호 하 고 a 와 b 는 상수17를 피팅. 그림과 같이, 알려진된 온도에는 상수 를결정 하는 화 염에 절대 농도 측정 교정 측정이 필요 합니다. 일정 한 온도; 확장으로 불꽃의 측정 볼륨에서 온도 측정도 해야 합니다. 이것의 전체 논의 이미 게시17이었다. 이 측정에 사용 되는 poling 기간이 했다 104.5 ° c.의 크리스털 온도 21.5 µ m
그림 4 는 premixed 불꽃에서 원시 데이터를 제공합니다. 5 연속 검사는 범위 3229.5-3232 cm-1, 복용 약 65 각 스캔에 표시 s. 온도 측정에 사용 하는 냉각 라인의 이러한 커버 3 그룹. 이상적으로, 안정적인 시스템을 사용 하는 경우 각 검색 같은 범위 동일 해야, 농도, 압력 및 온도 변경 해야 합니다. 라인 볼 여기 변화의 강도 크게에서 스캔을 스캔,입니다 레이저 펄스 모드와 에너지는 불안정 스캔에서 스캔 하기 때문에 이와 같은 결과 레이저 펄스 에너지 기록 되 고 나머지 부분에서 충분 한 레이저 펄스 에너지 측정을 정렬 하는 데 사용할 수 사용할 수 없습니다. Poling 기간이이 측정에 사용 되는 123 ° c.의 크리스털 온도 21.5 µ m
그림 4에 ND2 필터 검출기 포화 방지 하려면 신호를 줄이기 위해 사용 되었다 때문에 배경 산란은 보이지 않는다. 약한 신호에 대 한 배경 산란 실 온에서 100 ppm HCN의 ν1 진동 밴드의 P(20) 라인에서 생성 된 신호에 해당 하는 펄스 당 5 pJ의 순서는 발견 했다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig1.jpg"> 그림 1: 업 검출기의 다이어그램. U1 U7 및 어는 높은 반사 거울 (HR)-코팅 1,064에 대 한 nm. 모든 거울은 평면, 곡률 반경 200 m m는 U3 제외 하다. 거울 u 1-u 5의 LD 빛 검출기를 도달 하지 않는 있도록 레이저 다이오드, 파장에서 투과 되도록 만들어졌다. U6은 upconverted 신호, 650-1050 nm 투과입니다. U7 중반 IR 신호에 대 한 투과입니다. 어 95 %1,064 nm 및 5% 투과 반사입니다. U3 U1에서 경로 길이 156 m m, 고 U3 U7의 경로 길이 202 mm. L4 이며 L5 achromatic 렌즈 60 mm와 75 mm 초점 길이 각각. 둘 다는 650-1050 nm에 투명 합니다. 검출기로 사용 하는 카메라는 L5에서 75 m m 배치 됩니다. 캐비티 필드는 수직으로 편광. 여기에 사용 된 PPLN 21.0 µ m, 21.5 μ m, 22.0 µ m, 22.5 m m, 및 23.0 µ m, poling 있으며 크리스탈 길이 20 m m. 보이는 및 가까운 적외선 검출기 사용 ID 이미징 개발 시스템에서 UI-5240CP-NIR-GL 카메라입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig2.jpg"> 그림 2: DFWM 설치의 다이어그램. M 1은 펄스 레이저의 파장에 절연 성 거울 반사 (HR). M2 펄스 레이저와 HeNe 가이드 빔에 대 한 투과 파장 시간을 코팅 하는 유 전체 거울입니다. M3-m 6는 골드 미러를 보호. B.C.1와 B.C.2 BOXCARS 판 1과 2는. L1 5.1 cm 직경 500 m m 초점 거리 카페2 렌즈입니다. L2 500 m m의 초점 거리는 카페2 렌즈 직경의 2.54 cm. L3 100 m m 초점 거리 카페2 렌즈입니다. 펄스 레이저는 수직으로 편광. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig3.jpg"> 그림 3 : N2에서 HCN의 다른 농도에서 신호. 중앙 피크 HCN의 ν1 진동 밴드의 P(20) 라인 이다. 삽입에 맞게 2 차 다항식으로 각 농도 (다이아몬드 표식)에서 피크 신호를 보여준다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig4.jpg"> 그림 4 : 5 연속 스캔 스캔, premixed 불꽃에 다 당 기간에 ca. 65 s. 레이저는 3229.5-3232 c m-1의 범위에서 검색 했다. 여기 본 봉우리는 H2O 전환 라인의 여러 컬렉션에서 신호. 신호는 ND1와 ND0.6 필터, 검출기 포화 방지와 감소 되었다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig5.jpg"> 그림 5: 측면에서 본 A BOXCARS 판. 그것은 투명 한 재질의 블록입니다. 입력된 측면에서 그것은 antireflective 코팅의 표면에 입힌 다. 레이저 빔 여기에 입력 하 고 어디 절반 표면 코팅 50% 전송에 대 한 출력 측에 도달. 접시에 내부적으로 반영 빛 코팅 높은 반사에 대 한 입력된 쪽의 부분 굴절 다음 고 출력 측의 위쪽 절반을 통해 반영 됩니다. 이 두 개의 평행 광선으로 한 빔을 분할합니다. 빔 스플리터와 거울, 동일한 효과 얻을 수 있는 빔 스플리터 배경 잡음을 증가 수 후방 표면에서 일부 반사. 또한, BOXCARS 접시 아니 맞춤 생산 하는 두 광선은 평행 되도록 필요 합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig6.jpg"> 그림 6: Intracavity 파워 업 모듈에 대 한 현재 펌프 레이저 다이오드의 기능으로. 각 구멍의 세 가지 별도 정렬에서 측정 하는 전력의 평균 이며 오차 막대 사이 별도 정렬 확산을 나타냅니다. 이상적인 레이저 동작에서 편차는 레이저 크리스탈과 PPLN 크리스탈에 열 효과 의해 발생 합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>

여기, 우리 타락 한 4 웨이브 혼합 업 탐지와 결합을 사용 하 여 공간 해결, 민감한 가스 분광학 중 적외선 영역에서 수행 하는 프로토콜 제시.

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...

우리의 프로토콜의 중요성은 다른 방법이 도달 할 수없는 작은 종의 농도를 연구 할 수 있도록 검출 한계를 낮춥다. 이 기술의 주요 장점은 배경 잡음의 대부분을 우회하는 업변환 모듈의 추가입니다. 검색 프로세스에 사용되는 업변환을 위한 설정으로 작업합니다.설정의 내부 요소를 노출하는 것으로 시작합니다. 레이저 다이오드와 크리스탈은 1064 나노미터 빔을 생성합니다. 일련의 거울이 이 빔을 PPLN 크리스탈과 뒤로 전달합니다.외부에서 중간 적외선 빔도 결정을 통과합니다. 두 빔은 PPLN 크리스탈을 빠져나와 검출기로 이동하는 업컨버터드 신호를 생성합니다. 이 회로도는 설정에 대한 개요를 제공합니다.레이저 다이오드와 함께 사용되는 결정은 네오다이아몬드 이테르비움 오르토바나다이다. U1에서 U7까지의 심볼은 1064 나노미터에서 매우 반사되는 거울입니다. U5를 통해 거울 U1은 레이저 다이오드의 파장에서 매우 변형된다.미러 U6은 변환된 신호의 범위에서 변환됩니다. 미러 U7은 중간 적외선 신호에 대해 변환됩니다. 미러 U3에는 곡률 반경이 200mm입니다.다른 거울은 평평합니다. 코미디 마운트에 플랫 미러를 사용하여 정렬 캐비티를 설정합니다. 미러를 레이저 매체 앞에 놓고 끝 거울역할을 합니다.마운트의 각도를 수평 및 수직 방향 모두에서 극단적인 위치로 돌립니다. 다음으로 적외선에 민감한 빔 카드를 미러 U2 앞에 놓습니다. 또한 마운트에서 PPLN 크리스탈을 제거합니다. 배열은이 회로도에 묘사됩니다.끝 미러는 UH에 의해 표시됩니다. 최대 출력의 약 1/3에서 레이저 다이오드를 시작합니다. 캐비티를 정렬하고 다음 단계를 반복합니다. 끝 거울의 각도를 변경하고, 수평 방향으로 2도 를 양수합니다.그런 다음 거울의 수직 각도를 한 극단에서 다른 극단으로 쓸어 버립니다. 이렇게 하면 정렬 캐비티에서 빔에 대한 적외선 카드를 보세요. 끝 거울의 일부 수평 각도에서 수직 각도를 스윕하는 동안 캐비티는 적외선 카드에서 볼 수있는 게화되기 시작합니다.캐비티가 게화되면 미러 각도를 조정하여 더 높은 전력을 달성하고 드라이브 전류를 줄이는 것을 번갈아 가며 말합니다. 결국, IR 카드로 미러를 떠나는 빔이 쉽게 볼 수 있도록 전원이 있습니다. 이제 적외선 카드를 제거하고 뒤에 있던 미러를 조정하기 시작합니다. 선형 빔이 가운데에서 미러 U3의 중심으로 반사되도록 미러를 조정합니다. 미러 U3의 각도를 조정하여 빔이 원하는 경로를 따라 계속 중심을 유지하여 U7을 미러링합니다. 빔이 적절한 높이에서 PPLN 마운트를 통과하고 결정표면에 수직이 되도록 하십시오.다음으로 게르마늄 창을 제거하고 U7 뒤에 적외선 카드를 놓습니다. 이 위치에서 IR 카드는 IR 빔이 구멍을 떠나면서 형광을 합니다. 이제 U7의 각도를 조정하여 정렬 빔의 경로를 따라 반사합니다. 전송된 빔의 적외선 카드를 모니터링하고 미러각도를 설정하여 출력을 최대화합니다.빔이 채널 중 하나를 통과할 수 있도록 마운트에 PPLN 크리스탈을 장착하여 계속하십시오. IR 카드에 빔이 여전히 표시되는지 확인합니다. 그렇다면 U7을 조정하여 진행 하기 전에 출력을 최대화합니다.이 시점에서 레이저 다이오드를 끄고 끝 거울을 제거합니다. 입력에 750 나노미터 길이의 패스 필터를 연결하여 상향 변환 설정에 연결합니다. 필터 뒤에 파워 미터를 놓습니다.레이저 다이오드를 최대 출력으로 조정하여 U2 및 U7의 각도를 조정하여 전력을 최대화합니다. 그런 다음 파워 미터를 고성능 적외선 카드로 교체하십시오. 카드로, 캐비티가 기본 갈리시아 모드에서 실행되는지 확인합니다.필요에 따라 미러 U7을 조정합니다. 완료되면 필터를 제거하고 게르마늄 창을 다시 부착합니다. 적외선 퇴화 4파 혼합 설정을 정렬하려면 계속 진행합니다.이 셋업에는 펄스 레이저, 헬륨 네온 레이저, 거울 및 렌즈가 포함되어 있어 빔을 조립된 상향 변환 검출기의 입력으로 안내합니다. 초기 설정은 이 회로도에 표시됩니다. 헬륨 네온 레이저는 가이드 빔을 제공합니다.미러 M3 및 M4를 사용하여 가이드 빔을 렌즈 L1과 정렬합니다. 빔이 중앙에 렌즈 L1에 닿을 수 있도록 거울을 조정합니다. 미러 M4와 렌즈 L1 사이에 박스카 플레이트를 삽입합니다. 수평 빔에서 45도 수직 각도로 놓습니다. 배열이 두 개의 출력 빔을 생성하도록 합니다.첫 번째 상자판 이후에 두 번째 박스카 플레이트를 삽입합니다. 출력 빔에서 45도 수평 각도로 데. 출력에 4개의 빔이 있는지 확인합니다.다음으로 박스카 플레이트의 각도를 네 개의 출력 빔으로 조정하여 사각형모서리를 형성합니다. 빔이 중앙 주위에 동등하게 간격을 둘 때까지 렌즈 L1을 조정합니다. 이제 광선의 경로에 홍채를 놓습니다.홍채를 배열하여 세 개의 펌프 빔을 차단하고 신호 빔이 통과 할 수 있도록합니다. 이 회로도는 이 시점에서 시스템의 상태를 나타냅니다. 다음 단계에는 렌즈 L2와 미러 M5 및 M6가 포함됩니다. 빔을 충돌시키기 위해 펄스 레이저의 파장의 초점 거리를 사용하여 렌즈 L2를 정렬합니다.그런 다음 위치 미러 M5 및 M6이므로 가이드 빔은 빔을 중심으로 해야 하는 상향 변환 감지기의 입력 창으로 향합니다. 렌즈 L3를 PPLN 크리스탈의 중심에서 하나의 초점 길이의 광학 거리로 배치합니다. 계속하려면 검출기의 게르마늄 창을 제거합니다.이렇게 하면 1064 나노미터 빔이 상향 변환 모듈을 빠져나갈 수 있습니다. 다음으로 미러 M6을 사용하여 검출기에서 빔을 이동하고 렌즈 L2에서 겹치도록 신호 빔에 가져옵니다. 미러 M5를 사용하여 가이드 빔을 L3의 1064 나노미터 빔으로 이동시면 이 것을 번갈아 가시합니다. 1064 나노미터 빔과 가이드 빔이 동일한 경로를 따라 가면 멈춥니다. 게르마늄 창을 상향 변환 모듈에 다시 연결합니다.그런 다음 여러 중성 밀도 필터를 검출기 앞에 배치하여 펄스 레이저로부터 보호합니다. 펄스 레이저를 켜고 가이드 빔과 겹치는지 확인합니다. 이제 렌즈 L1의 초점에서 측정할 가스 흐름이나 불꽃을 배치합니다. 이 측정은 질소에서 희석된 메탄의 흐름을 포함합니다.신호가 검출기에 표시되는지 확인합니다. 필요에 따라 중립 밀도 필터를 조정합니다. 신호가 있는 경우 미러 M5 및 M6를 조정하여 평균 강도를 최대화합니다. 변환 단계에서 빔 블록으로 신호 빔을 차단하여 계속합니다.그런 다음 검출기 앞에 있는 중립 밀도 필터를 제거합니다. 처음에는 검출기로 산란하는 빛으로 인해 신호가 있을 수 있다. 번역 스테이지를 사용하면 빔 블록의 위치를 조정하여 이 산란을 줄입니다.광 산란으로 인한 신호가 가능한 한 많이 감소되었을 때 진행합니다. 다음 단계는 측정이 시작될 수 있도록 가스 흐름을 켜는 것입니다. 그런 다음 펄스 레이저로 상향 변환 검출기를 적절히 트리거하고 파장 범위를 스캔하여 데이터를 수집합니다.이러한 데이터는 질소 가스에서 시안화 수소의 5가지 농도를 위한 것입니다. 각 점은 각 농도에서 세 번의 스캔 평균을 나타냅니다. 중앙 피크는 시안화 수소의 NU1 진동 대역의 P20 라인입니다.여기서 점은 농도의 함수로서 측정된 피크 값입니다. 대시 라인은 2도 다항형에 적합합니다. 이 경우 데이터는 사전 혼합 된 불꽃에서 5 번 연속 스캔을 보여줍니다.각 스캔은 약 65초에 걸쳐 있으며 동일한 범위의 파수를 다룹니다. 스캔에서 스캔으로의 강도 의 변화는 레이저 펄스 모드와 에너지가 안정적이지 않기 때문입니다. 단일 단계가 가장 중요하지는 않지만 측정을 비교할 필요가 있는 경우 정렬은 매번 동일한 높이 위치를 가져야 합니다.시행 착오로 설정된 설정을 맞추는 법을 배우는 것은 많은 시간을 낭비할 것이므로 사람들이 함정을 피할 수 있도록 프로세스를 보여주고 싶었습니다. 상향 변환 모듈의 도입으로 소형 펠릿의 가스화로부터 소종 시안화의 방출을 검출할 수 있게 되었습니다. 이 프로토콜에는 클래스 4 레이저의 사용이 포함되며, 잠재적으로 인화성 가스의 사용이 포함되며 적절한 안전 조치를 항상 따라야합니다.

infrared-degenerate-four-wave-mixing-with-upconversion-detection-for

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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