Name: Czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 42 s
Description: Poznaj czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów. Ta metoda znacząco obniża granicę wykrywalności śladowych składników w spektroskopii gazów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wysoko cenione jest finansowanie otrzymane przez autorów w ramach programu Horyzont 2020 przez Unię Europejską. Prace te prowadzono w ramach innowacyjnej sieci szkoleniowej Mid-TECH Marie Curie [H2020-MSCA-ITN-2014-642661].

Konfiguracja detektora konwersji w górę jest pokazana w Rysunek 1; lustra, soczewki lub inne optyki, do których odwołuje się protokół, są zidentyfikowane tutaj lub na schemacie konfiguracji IR-DFWM pokazanym w Rysunek 2. Sekcja protokołu zajmuje się głównie dostosowaniem konfiguracji optycznej używanej w tej metodzie, a proces można wstrzymać w dowolnym momencie, wyłączając wszystkie uruchomione urządzenia. Wszystkie lusterka są regulowane ręcznie. Oprogramowanie służące do sterowania kamerą i LD zostało dostarczone wraz z detektorem konwersji w górę. Sposób korzystania z oprogramowania jest opisany na końcu protokołu.
1. Konwersja w górę
<ol>
	<li>Umieść lustro końcowe wnęki wyrównującej UH, jak wskazano na Rysunek 1.</li>
	<li>Wyjmij kryształ PPLN z mocowania kryształu.</li>
	<li>Umieść kartę czułą na podczerwień (czułą na 1,064 nm) w pozycji A, patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 1.</li>
	<li>Obróć kąt mocowania kinematycznego przytrzymującego UH do skrajnego położenia zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym. Następnie włącz LD na około 1/3 maksymalnej mocy wyjściowej.</li>
	<li>Wyrównaj wnękę wyrównującą w następujący sposób.
	<ol>
		<li>Zmień kąt UH o +0,2° w kierunku poziomym.</li>
		<li>Przeciągnij kąt pionowy UH z jednej skrajności na drugą, obserwując na karcie IR wiązkę z wnęki wyrównowania.</li>
		<li>Powtarzaj kroki 1.5.1 i 1.5.2, aż wnęka zacznie się wyłączać.</li>
		<li>Gdy wnęka wyrównująca jest laserowa, przełączaj się między regulacją kąta UH w celu uzyskania większej mocy a zmniejszaniem prądu napędu LD. LD jest zwymiarowany tak, aby napędzać całą wnękę, która ma znacznie większe straty niż wnęka wyrównująca. Utrzymuj moc w miejscu, w którym wiązka wychodząca z UH jest łatwo widoczna za pomocą karty IR, ale nie więcej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyjmij kartę IR.</li>
	<li>Dostosuj kąt U2 tak, aby belka wyrównująca odbijała się w środku U3 (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1). 
	UWAGA: Belka z wnęki wyrównującej powinna uderzyć w U2 pośrodku.</li>
	<li>Dostosuj kąt U3 tak, aby wiązka była kontynuowana do U4, U5 i U6 i odbijała się od U6 do U7.</li>
	<li>Belka musi przejść przez mocowanie PPLN na wysokości środka kanałów kryształu PPLN i musi wejść do kryształu prostopadle do powierzchni. Użyj U2, aby skorygować wysokość i kąt, jednocześnie dostosowując U3, aby wiązka była wypoziomowana i wyśrodkowana przez otwory x i y.</li>
	<li>Zdejmij okienko germanowe i umieść kartę IR za U7, tak aby wiązka podczerwieni opuszczająca wnękę uderzyła w kartę, a fluorescencja była widoczna dla osoby wyrównującej wnękę. 
	UWAGA: Belka wyrównująca będzie teraz przechodzić przez mocowanie PPLN i uderzy w U7.</li>
	<li>Dostosuj kąt U7 tak, aby odbicie od U7 przechodziło z powrotem wzdłuż ścieżki belki wyrównującej. Regulując kąt U7, uważaj na wiązkę na karcie IR. Gdy zobaczysz wiązkę, dostosuj kąt U7, aby zmaksymalizować moc wyjściową.</li>
	<li>Zamontuj PPLN w uchwycie. Upewnij się, że uchwyt jest umieszczony tak, aby wiązka przechodziła przez jeden z kanałów w krysztale.</li>
	<li>Kontynuuj wykonywanie kroku podrzędnego (krok 1.13.1, 1.13.2 lub 1.13.3) odpowiadającego bieżącej sytuacji.
	<ol>
		<li>Jeśli wiązka podczerwieni jest nadal widoczna wychodząc z U7, wyreguluj U7, aby zmaksymalizować moc wyjściową, i przejdź do następnego kroku.</li>
		<li>Jeśli wiązka podczerwieni wychodząca z U7 nie jest już widoczna, zwiększ prąd LD do 1/3 maksymalnej mocy wyjściowej i sprawdź, czy wiązka IR jest widoczna. Jeśli belka jest widoczna, przejdź do kroku 1.13.1; W przeciwnym razie przejdź do kroku 1.13.3.</li>
		<li>Zmniejsz prąd LD do poprzedniego poziomu i prześledź wiązkę prowadzącą, aby sprawdzić, czy przechodzi ona przez PPLN w środku jednego z kanałów. Jeśli tak się nie stanie, powtórz od kroku 1.7, ale z PPLN w mocowaniu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyłącz LD, wyjmij UH i podłącz filtr LP750 w pozycji B (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 1).</li>
	<li>Umieść miernik mocy za U7, ale zostaw miejsce na sprawdzenie wiązki za pomocą karty IR. Następnie włącz LD z pełną mocą.</li>
	<li>Jeśli na mierniku mocy nie widać żadnego sygnału, dokonaj niewielkich zmian kąta na U7, obserwując sygnał na mierniku mocy. Jeśli zostanie znaleziony sygnał, przejdź do następnego kroku; W przeciwnym razie wróć do kroku 1.1.</li>
	<li>Zoptymalizuj wyrównanie wnęki, dostosowując kąty U2 i U7, aby zmaksymalizować moc, jednocześnie używając karty IR o dużej mocy, aby sprawdzić, czy wnęka działa w podstawowym trybie Gaussa. 
	UWAGA: Chociaż możliwe jest uzyskanie większej mocy w trybie wyższego rzędu, dla wydajności konwersji istotne jest, aby laser działał w trybie podstawowym.</li>
	<li>Jeśli wnęka nie działa w trybie podstawowym, będzie działać w trybie wyższego rzędu, w którym na karcie IR widocznych jest wiele listków. Obróć U7 tak, aby płaty zbliżyły się do siebie na karcie IR, aż się połączą.</li>
	<li>Zapisz moc wyjściową w U7. Użyj tego i transmisji U7 do obliczenia pola wewnątrzwnękowego. Porównaj tę wartość z krzywą kalibracyjną w <silna klasa="xfig">Rysunek 6.</li>
	<li>Po zoptymalizowaniu wnęki wyjmij filtr LP750 i ponownie załóż okienko germanowe.</li>
</ol>
2. Wyrównanie IR-DFWM
UWAGA: Zobacz Rysunek 2 dla diagramu konfiguracji DFWM.
<ol>
	<li>Wyrównaj wiązkę lasera HeNe (wiązkę prowadzącą) z M3 i M4, aby trafić w L1 w środku, przechodząc poziomo od M4 do L1.</li>
	<li>Włóż płytę BOXCARS 1 pod kątem 45° do belki (kierunek pionowy) i upewnij się, że wiązka przechodzi przez nią, tworząc dwie belki wyjściowe.</li>
	<li>Włóż płytę BOXCARS 2 pod kątem 45° do belek (kierunek poziomy) i upewnij się, że belka przechodzi przez, tworząc cztery belki wyjściowe. Dostosuj kąty blach tak, aby belki były rozmieszczone jak narożniki w kwadracie.</li>
	<li>Dostosuj położenie L1, aż wiązki zostaną równomiernie rozmieszczone wokół środka soczewki.</li>
	<li>Pozostaw na razie niezablokowaną wiązkę sygnałową, która będzie generowana wzdłuż ścieżki wiązki zablokowanej przez blok wiązki, aby można ją było użyć do wyrównania reszty ustawienia. Umieść tęczówkę tak, aby blokowała trzy wiązki pompy, ale przepuszczała czwartą wiązkę, wiązkę sygnałową.</li>
	<li>Ustaw L2 tak, aby wiązka sygnałowa była skolimowana. Należy to zrobić za pomocą ogniskowych na długości fali lasera impulsowego, a nie przez oględziny, ponieważ ogniskowe będą różne dla długości fali wiązki prowadzącej i średniej podczerwieni.</li>
	<li>Umieść M5 i M6 tak, aby belka prowadząca była wyśrodkowana na oknie wejściowym detektora konwersji w górę i prostopadle do okna wejściowego.</li>
	<li>Umieść L3 w odległości optycznej o jedną ogniskową od środka PPLN. Weź pod uwagę załamanie okna germanowego, lustra wnękowego i samego PPLN.</li>
	<li>Skonfiguruj moduł konwersji w górę i włącz go (patrz sekcja 1).</li>
	<li>Usuń okienko germanowe z detektora konwersji w górę. Umożliwi to wiązce 1064 wyjście z modułu konwersji w górę.</li>
	<li>Nałóż na siebie wiązkę lasera HeNe i wiązkę 1064 z detektora konwersji w górę, używając M6 do przesunięcia wiązki 1064 na wiązkę sygnałową tak, aby zachodziły na siebie w L2, a następnie używając M5 do przesunięcia wiązki prowadzącej na wiązkę 1064 w L3. Przełączaj się między dwoma lustrami, aż belka prowadząca i 1064 będą podążać tą samą ścieżką.</li>
	<li>Ponownie zamocuj okienko germanowe.</li>
	<li>Umieść kilka filtrów ND na ścieżce wiązki, przed detektorem konwersji w górę. Zachowaj szczególną ostrożność, aby nigdy nie dopuścić do przedostania się nietłumionej wiązki z lasera impulsowego do detektora konwersji w górę, ponieważ wysoka energia prawdopodobnie uszkodzi detektor.</li>
	<li>Włącz laser impulsowy i upewnij się, że działa stabilnie i z odpowiednią energią na impuls.</li>
	<li>Nałóż na siebie laser impulsowy i wiązkę prowadzącą w następujący sposób.
	<ol>
		<li>Dostosuj kąt M1 do momentu, gdy laser impulsowy nałoży się na wiązkę prowadzącą na sumatorze wiązki (M2).</li>
		<li>Dostosuj kąt M2 tak, aby laser impulsowy odbijał się w kierunku propagacji wiązki prowadzącej.</li>
		<li>Sprawdź, czy belki zachodzą na siebie w łączniku belek i w odległościach 1 m, 2 m i 3 m.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Znajdź punkt centralny belek po L1. Umieść przepływ gazu lub płomień, który ma być mierzony, tak, aby punkt pomiarowy znajdował się w ognisku wiązek.</li>
	<li>Podłącz sygnał wyzwalający z lasera impulsowego do detektora konwersji w górę, aby bramkować detekcję w czasie. Jeśli opóźnienie czasowe i czas bramki nie są znane, zacznij od długiego czasu trwania bramki czasowej i zawęź go, gdy sygnał zostanie znaleziony.</li>
	<li>Przeszukaj konfigurację, zwłaszcza tablice BOXCARS, pod kątem błędnych odbić i upewnij się, że są zablokowane.</li>
	<li>Zoptymalizuj wyrównanie wiązki sygnału w detektorze konwersji w górę w następujący sposób.
	<ol>
		<li>Jeśli sygnał jest widoczny na detektorze, wyreguluj M5 i M6, aby zmaksymalizować sygnał.</li>
		<li>Jeśli w detektorze nie jest widoczny żaden sygnał, zmniejsz filtrowanie ND o jeden rząd wielkości. Powtarzaj, aż zobaczysz sygnał.</li>
		<li>Jeśli sygnał na detektorze jest nasycony, zwiększ filtrowanie ND o jeden rząd wielkości. Powtarzaj, aż sygnał przestanie być nasycony.</li>
		<li>Wykonaj kroki 2.19.1-2.19.3, aż sygnału nie będzie można już zwiększyć, dostosowując M5 i M6.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść blok wiązki tak, aby blokował wiązkę sygnałową, jak pokazano na Rysunek 2. Następnie wyjmij filtry ND.</li>
	<li>Dostosuj położenie bloku wiązki, aby zredukować rozproszenie (szum tła) widoczny na detektorze. Zachowaj szczególną ostrożność, aby przypadkowo nie odblokować wiązki i nie wystawić detektora na bezpośrednie działanie światła z lasera impulsowego.</li>
	<li>Przygotuj przepływ gazu lub płomień do pomiaru. Następnie zeskanuj impulsowany laser w całym interesującym nas zakresie długości fali, jednocześnie rejestrując sygnał z detektora. W ten sposób wytworzone zostanie widmo pasujące do składu gazu na nakładaniu się wiązek.</li>
</ol>
3. Oprogramowanie diod laserowych
<ol>
	<li>Uruchom program LabVIEW AuroraOne control.vi.</li>
	<li>Kliknij przycisk włączania Laser TEC w pozycji włączonej i wyłącz przycisk bezpieczeństwa RW/TW.</li>
	<li>Ustaw prąd lasera, wprowadzając żądaną wartość w mikrowatach w polu nastawy TA. Wprowadzenie nowej wartości, gdy laser jest uruchomiony, spowoduje dostosowanie prądu.</li>
	<li>Kliknij przycisk włączania TA w pozycji włączonej, aby włączyć prąd diody laserowej.</li>
	<li>Wyłącz diodę laserową, klikając włącz TA i włącz Laser TEC w pozycji wyłączonej.</li>
</ol>
4. Systemy rozwoju obrazowania IDS
<ol>
	<li>Uruchom program LabVIEW UpconversionControl.vi.</li>
	<li>Na karcie Ustawienia ustaw czas otwarcia migawki na 8 μs, wpisując wartość w polu oznaczonym Czas ekspozycji (sekundy).</li>
	<li>Na karcie Ustawienia ustaw typ migawki na Globalny w polu oznaczonym Migawka IDS.</li>
	<li>Na karcie DBG ustaw typ wyzwalacza na Lo_Hi w polu wyzwalacza IDS.</li>
	<li>Na karcie DBG2 ustaw opóźnienie wyzwalania w polu oznaczonym Opóźnienie wyzwalania IDS (μs). Będzie to zależało od opóźnienia między impulsem wyzwalającym a impulsem laserowym z lasera.</li>
	<li>Na karcie Ustawienia ustaw zestaw offsetu x i offset set y na 480 pikseli, a Szerokość i wysokość na 96 pikseli.</li>
	<li>Na karcie Ustawienia ustaw liczbę klatek na sekundę na 0 w polu Liczba klatek na sekundę; spowoduje to ustawienie kamery tak, aby rejestrowała jedną klatkę na sygnał wyzwalający.</li>
	<li>Włącz kamerę, naciskając przycisk Rozpocznij pobieranie.</li>
	<li>Gdy sygnał wchodzi do detektora konwersji w górę, sygnał będzie widoczny jako jasny punkt w środku obrazu pokazanego po prawej stronie w programie LabVIEW. Użyj funkcji Rect na lewym pasku obok obrazu, aby narysować prostokąt o wymiarach 6 x 6 pikseli wokół sygnału.</li>
	<li>Wyświetl średnią intensywność z wybranych pikseli w funkcji czasu na karcie Historia. W razie potrzeby wykres można wyczyścić, klikając go prawym przyciskiem myszy i wybierając opcję Wyczyść.</li>
	<li>Naciśnij przycisk Zatrzymaj akwizycję, aby zatrzymać pobieranie nowych obrazów z aparatu.</li>
	<li>Wyeksportuj dane, klikając prawym przyciskiem myszy wykres intensywności, wybierz opcję kopiuj dane do schowka i wklej dane do pliku .txt.</li>
	<li>Wyłącz aparat i program sterujący, naciskając przycisk Zamknij.</li>
</ol>

<ol><li>Sahlberg, A. -L., Zhou, J., Alden, M., Li, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+ro-vibrational+spectra+of+small+hydrocarbons+at+elevated+temperatures+using+infrared+degenerate+four-wave+mixing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Raman+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">Investigation of ro-vibrational spectra of small hydrocarbons at elevated temperatures using infrared degenerate four-wave mixing.</a> Journal of Raman Spectroscopy. 47 (9), 1130-1139 (2016).</li>
<li>Kiefer, J., Ewart, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+diagnostics+and+minor+species+detection+in+combustion+using+resonant+four-wave+mixing%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Energy+and+Combustion+Science%22%5BJournal%5D)">Laser diagnostics and minor species detection in combustion using resonant four-wave mixing.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 37 (5), 525-564 (2011).</li>
<li>Sahlberg, A. -L. Non-linear mid-infrared laser techniques for combustion diagnostics. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSahlberg%2C+A-L+%22Lund+University%22">Lund University</a>. , Lund University. Lund, Sweden. Division of Combustion Physics, Department of Physics (2016).</li>
<li>Høgstedt, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-noise+mid-IR+upconversion+detector+for+improved+IR-degenerate+four-wave+mixing+gas+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Low-noise mid-IR upconversion detector for improved IR-degenerate four-wave mixing gas sensing.</a> Optics Letters. 39 (18), 5321(2014).</li>
<li>Pedersen, R. L., Hot, D., Li, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+an+InSb+Detector+and+Upconversion+Detector+for+Infrared+Polarization+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">Comparison of an InSb Detector and Upconversion Detector for Infrared Polarization Spectroscopy.</a> Applied Spectroscopy. 72 (5), 793-797 (2018).</li>
<li>Sahlberg, A. -L., Kiefer, J., Aldén, M., Li, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mid-Infrared+Pumped+Laser-Induced+Thermal+Grating+Spectroscopy+for+Detection+of+Acetylene+in+the+Visible+Spectral+Range%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">Mid-Infrared Pumped Laser-Induced Thermal Grating Spectroscopy for Detection of Acetylene in the Visible Spectral Range.</a> Applied Spectroscopy. 70 (6), 1034-1043 (2016).</li>
<li>Midwinter, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+conversion+from+1.6+%C2%B5+to+the+visible+in+lithium+niobate%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Image conversion from 1.6 µ to the visible in lithium niobate.</a> Applied Physics Letters. 12 (3), 68(1968).</li>
<li>Dam, J., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Tidemand-Lichtenberg, P., Pedersen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Room-temperature+mid-infrared+single-photon+spectral+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photonics%22%5BJournal%5D)">Room-temperature mid-infrared single-photon spectral imaging.</a> Nature Photonics. 6 (11), 788-793 (2012).</li>
<li>Pelc, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-wavelength-pumped+upconversion+single-photon+detector+at+1550+nm%3A+performance+and+noise+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Long-wavelength-pumped upconversion single-photon detector at 1550 nm: performance and noise analysis.</a> Optics Express. 19 (22), 21445-21456 (2011).</li>
<li>Mancinelli, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mid-infrared+coincidence+measurements+on+twin+photons+at+room+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature.</a> Nature Communications. 8 (2), 1-8 (2017).</li>
<li>Sua, Y. M., Fan, H., Shahverdi, A., Chen, J. -Y., Huang, Y. -P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Generation+and+Detection+of+Quantum+Correlated+Photons+with+3.2+um+Wavelength+Spacing%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons with 3.2 um Wavelength Spacing.</a> Scientific Reports. 7 (1), 1-10 (2017).</li>
<li>Meng, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upconversion+detector+for+range-resolved+DIAL+measurement+of+atmospheric+CH4%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4.</a> Optics Express. 26 (4), 3850-3860 (2018).</li>
<li>Xia, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-range+micro-pulse+aerosol+lidar+at+1.5.+%C2%B5m+with+an+upconversion+single-photon+detector%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Long-range micro-pulse aerosol lidar at 1.5. µm with an upconversion single-photon detector.</a> Optics Letters. 40 (7), 1579-1582 (2015).</li>
<li>Junaid, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mid-infrared+upconversion+based+hyperspectral+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Mid-infrared upconversion based hyperspectral imaging.</a> Optics Express. 26 (3), 2203-2211 (2018).</li>
<li>Kehlet, L. M., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Pedersen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infrared+upconversion+hyperspectral+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Infrared upconversion hyperspectral imaging.</a> Optics Letters. 40 (6), 938-941 (2015).</li>
<li>Hermes, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mid-IR+hyperspectral+imaging+for+label-free+histopathology+and+cytology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Optics%22%5BJournal%5D)">Mid-IR hyperspectral imaging for label-free histopathology and cytology.</a> Journal of Optics. 20 (2), 023002(2018).</li>
<li>Hot, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatially+and+temporally+resolved+IR-DFWM+measurement+of+HCN+released+from+gasification+of+biomass+pellets%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Combustion+Institute%22%5BJournal%5D)">Spatially and temporally resolved IR-DFWM measurement of HCN released from gasification of biomass pellets.</a> Proceedings of the Combustion Institute. , In Press (2018).</li>
<li>Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-broadband+mid-wave-IR+upconversion+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultra-broadband mid-wave-IR upconversion detection.</a> Optics Letters. 42 (8), 1504(2017).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Precyzja wyrównania impulsowej wiązki laserowej ma kluczowe znaczenie dla czułości metody. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby upewnić się, że belki są oddzielone od siebie w równej odległości za tabliczkami BOXCARS i aby belki były równomiernie rozmieszczone wokół środka L1. Odchylenie od tego doprowadzi do znacznego spadku intensywności sygnału, a tym samym czułości. Podobnie należy zwrócić uwagę na to, aby wnęka modułu konwersji w górę pracowała w trybie podstawowym i aby wiązka sygnału była wyrównana w celu optymalnego nakładania się z pompą konwersji w górę. Sygnał można łatwo zmniejszyć o jeden lub dwa rzędy wielkości, jeśli wnęka konwersji w górę działa w niewłaściwym trybie lub nakładanie się wiązki sygnału na pole wnęki jest nieoptymalne. Obejmuje to umieszczenie L3 z milimetrową precyzją, tak aby ognisko wiązki sygnału znajdowało się w środku kryształu PPLN. Dzięki optymalnemu nakładaniu się i mocy 80 W wnęki możliwa jest 6% sprawność kwantowa stopnia SFG. Dzięki zastosowanemu tutaj detektorowi i długości fali całkowita skuteczność wykrywania wynosi 3%. Maksymalna moc wewnątrz wnęki, jaką można osiągnąć, wynosi 120 W, ale 80 W można osiągnąć niezawodnie. Wydajność konwersji jest proporcjonalna do mocy wewnątrzwnękowej, więc sygnały zarejestrowane z inną mocą wewnątrzwnękową można porównać, jeśli zarejestrowana jest moc wewnątrzwnękowa.
Głównym czynnikiem ograniczającym czułość tej metody jest rozpraszanie tła, które zagłusza słabe sygnały. Aby ograniczyć to rozpraszanie, bardzo ważne jest, aby optyka była wolna od kurzu, zwłaszcza soczewka L1. Należy również zwrócić uwagę, aby położenie bloku belki minimalizowało hałas tła. Blok belki powinien być umieszczony na stoliku xy, tak aby mógł być przesuwany w sposób kontrolowany zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej, prostopadłej do kierunku belek.
Omawiane tutaj skanowanie odbywa się za pomocą PPLN w stałej temperaturze. Wydajność konwersji jest proporcjonalna do(ΔkL/2π)2, gdzie Δk to niedopasowanie fazowe, a L to długość kryształu. Maksimum połowy pełnej szerokości (FWHM) tej funkcji to szerokość pasma detektora przy stałej temperaturze kryształu PPLN. FWHM tej funkcji zmienia się wraz z temperaturą kryształu i długością fali, ale na ogół jest rzędu 5 cm-1 w średniej podczerwieni, dla kryształu o długości 20 mm. Wyjątkiem jest okolica 4200 nm, gdzie szerokość znacznie wzrasta18.
Na schemacie konfiguracji na rysunku 2 nie uwzględniono optyki skalowania, ponieważ istnieje szereg kwestii, które należy rozważyć przed podjęciem decyzji, jakie skalowanie, jeśli w ogóle, jest potrzebne. W opisanej tutaj konfiguracji impulsowa wiązka laserowa jest kolimowana przy średnicy wiązki ok. 2 mm po osiągnięciu L1. Daje to talię wiązki w ognisku około 400 μm, przy długości fali 3 μm. Podczas stosowania tej techniki może być pożądana zmiana ogniskowej L1, ponieważ ze względów praktycznych potrzebna jest większa przestrzeń między L1 a punktem ogniskowym, albo w celu skrócenia objętości pomiaru poprzez zwiększenie kątów zbieżności, co można osiągnąć przy użyciu krótszej ogniskowej. W takim przypadku pas wiązki w punkcie ogniskowym powinien być utrzymany na poziomie ok. 400 μm, a skolimowana wiązka powinna być odpowiednio wyskalowana. Należy jednak wziąć pod uwagę, że zwiększenie średnicy belki bez zwiększania rozstawu belek zwiększy rozpraszanie od krawędzi bloku belki. Rozdzielczość przestrzenna jest określona przez zachodzenie na siebie belek pompy. W opisanej tutaj konfiguracji zakładka ma długość 6 mm, więc objętość pomiarowa to cylinder o długości 6 mm i promieniu 0,4 mm.
Aby osiągnąć quasi-fazowe dopasowanie w krysztale PPLN, zarówno sygnał średniej podczerwieni, jak i pole wewnątrzwnękowe wnęki konwersji w górę muszą być wyjątkowo spolaryzowane w krysztale PPLN. Wnęka konwersji w górę powinna być zbudowana tak, aby polaryzacja pola wewnątrzwnękowego była automatycznie prawidłowa. Jeśli laser średniej podczerwieni jeszcze do tego nie pasuje, można włożyć płytkę falową do wyjścia lasera w średniej podczerwieni, aby zmienić polaryzację.
IR-DFWM wymaga impulsów o stosunkowo wysokiej energii, 1-4 mJ, w połączeniu z wystarczająco wąską szerokością linii lasera, aby rozdzielić linie molekularne, które są rzędu 0,1 cm-1. Lasery, które spełniają te kryteria, mają na ogół niską częstotliwość powtarzania, a ponieważ pozyskiwanie danych za pomocą DFWM odbywa się zwykle poprzez skanowanie długości fali lasera, ogranicza to szybkość pomiarów. Oznacza to, że metoda ta jest najchętniej stosowana do pomiarów, w których obiekt nie zmienia się w czasie, chociaż została również zastosowana do pomiarów rozdzielczychw czasie 17. Innym ograniczeniem jest to, że ze względu na wrażliwość na rozproszone światło, cząstki znajdujące się w objętości pomiarowej lub w jej pobliżu będą tworzyć zdarzenia rozpraszające, które całkowicie zatopią sygnał17. Warunek dopasowania fazowego procesu konwersji w górę jest wąski spektralnie, co pomaga wyeliminować szum z termicznego promieniowania tła, ale sprawia, że skanowanie w szerokim zakresie długości fal jest bardziej czasochłonne, ponieważ temperatura PPLN musi być dostrojona, aby utrzymać długość fali sygnału dopasowaną do fazy.
Planowane są przyszłe zastosowania IR-DFWM w celu wykrywania NH3 w płomieniach lub kontynuowania prac z HCN w bardziej praktycznych środowiskach. Najbardziej oczywistym sposobem ulepszenia metody jest dalsza redukcja tła ze światła rozproszonego. Można to zrobić za pomocą przestrzennego filtrowania wiązki sygnału po odebraniu sygnału przez L2.

IR-DFWM zapewnia możliwość pomiaru stężeń aktywnych substancji IR aż do poziomu ppm1, z rozdzielczością przestrzenną. IR-DFWM ma kilka zalet, które czynią go atrakcyjną techniką do badań spalania. Płomienie można drastycznie zmienić poprzez włożenie sond, ale IR-DFWM jest nieinwazyjny. Ma rozdzielczość przestrzenną, dzięki czemu można mierzyć stężenia gatunków w różnych punktach struktury płomienia. Zapewnia spójny sygnał, który można odizolować od emisji termicznej płomienia. Dodatkowo, DFWM jest mniej wrażliwy na środowisko zderzenia niż na przykład fluorescencja indukowana laserem (LIF), która może być trudna do określenia w płomieniu. Technika ta zapewnia również dostęp do gatunków molekularnych, które są aktywne w podczerwieni, ale nie mają widocznych lub prawie widocznych przejść, które można wykorzystać do ich pomiaru za pomocą innych technik.
Chociaż DFWM ma wiele zalet, alternatywne techniki mogą być preferowane, jeśli jedna lub więcej z tych zalet nie jest potrzebna. Jeśli rozdzielczość przestrzenna nie jest potrzebna, techniki oparte na absorpcji będą zarówno prostsze, jak i dokładniejsze. Jeśli dane gatunki molekularne mają przejścia w obszarze widzialnym lub bliskiej podczerwieni, LIF może być preferowany, ponieważ LIF może dostarczyć przestrzennie rozdzielone informacje z płaszczyzny, a nie tylko z jednego punktu. W odpowiednich warunkach metody nieliniowe, takie jak DFWM i PS, mogą być również używane do pojedynczych pomiarów 2D2. Sygnał tych metod nieliniowych jest proporcjonalny do natężenia wiązki sondy w kostce, a ponieważ wiązka pompy musi zostać rozszerzona, aby pokryć obszar pomiaru 2D, wymaga to do działania albo bardzo wysokich energii impulsów, albo kombinacji wysokiej podatności trzeciego rzędu, wysokich stężeń i niskiego szumu tła. Dlatego w większości zależy to od gatunku molekularnego, czy jest to możliwe.
W bardziej bezpośredniej konkurencji z DFWM, istnieją inne techniki spektroskopowe oparte na mieszaniu czterech fal: koherentna spektroskopia Ramana anty-Stokesa (CARS), spektroskopia siatki indukowanej laserem (LIGS) i spektroskopia polaryzacyjna (PS). CARS to dobrze znana technika pomiaru temperatury i głównych gatunków w środowisku spalania. Brakuje mu jednak czułości do wykrywania mniejszych gatunków, ponieważ granica wykrywalności wynosi zwykle około 1%2. Wcześniej wykazano, że PS i DFWM mają podobne granice czułości i wykrywalności3; jednak wykazano, że stosunek sygnału do szumu DFWM wzrasta o współczynnik 500 w połączeniu z wykrywaniem konwersji w górę4, podczas gdy PS wykazał tylko 64-krotny wzrost5. LIGS ma tę zaletę, że indukuje siatkę za pomocą światła średniej podczerwieni, ale mierzy efekt przez załamanie lasera sondy tej siatki, a długość fali tego lasera sondy można dowolnie wybierać6. Długość fali lasera sondy może zatem znajdować się w obszarze widzialnym, gdzie dostępne są szybkie, niskoszumowe detektory na bazie krzemu. Jest to ta sama zaleta, którą osiąga się dzięki zastosowaniu konwersji w górę. LIGS ma tę wadę, że jest bardzo wrażliwy na kolizje2, co oznacza, że stężenie głównych gatunków gazów musi być znane do precyzyjnych pomiarów stężenia lub temperatury za pomocą LIGS. Jeśli ten problem zostanie rozwiązany, LIGS ma podobną czułość zarówno dla DFWM, jak i PS przy ciśnieniu atmosferycznym3, ale tam, gdzie sygnał LIGS wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia, sygnał z DFWM i PS wzrasta przy niższych ciśnieniach, co oznacza, że preferowana technika będzie zależeć od środowiska ciśnienia.
Wykrywanie konwersji w górę to technika konwersji sygnału z długich fal na krótsze za pomocą generowania sumy częstotliwości. Zaletą tego rozwiązania jest to, że detektory w zakresie widzialnym lub bliskiej podczerwieni mają niższy szum i wyższą czułość niż ich odpowiedniki w zakresie średniej podczerwieni. Po raz pierwszy zbadano to pięć dekad temu7, ale od tego czasu spotkało się to z bardzo małym zainteresowaniem i zastosowaniem, ze względu na niską wydajność konwersji. Jednak dzięki postępom w technikach produkcji okresowo spolaryzowanego niobianu litu (PPLN) i innych materiałów o wysokich współczynnikach nieliniowych, a także zwiększonej dostępności diod laserowych dużej mocy (LD), technika ta przyciągnęła coraz większą uwagę w ostatniej dekadzie, a jej zastosowania obejmują takie obszary, jak detekcja pojedynczych fotonów w średniej podczerwieni8,9,10,11, IR lidar12,13, oraz obrazowanie hiperspektralne14,15 i microscopy16. Główną zaletą połączenia detekcji konwersji w górę z IR-DFWM jest to, że warunek dopasowania fazowego ma wąskie pasmo akceptacji kątowej i spektralnej, które silnie dyskryminuje tło termiczne, umożliwiając wykrywanie słabszych sygnałów.

<table><tbody><tr><td>Laser Nd:YAG, pulsacyjny</td><td>Spectra Physics</td><td>Quantarau Pro-290-10</td><td>Ilość: 1 (Do pompowania lasera mid-IR)</td></tr><tr><td>Laser Nd:YAG, system wysiewu iniekcyjnego</td><td>Spectra Physics</td><td>6350</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Laser barwnikowy NIR - system OPA</td><td>Sirah</td><td>OPANIR</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>HeNe laser</td><td>Thorlabs</td><td>HNL100LB</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Lustro dichroiczne</td><td>LASEROPTIK</td><td>NA</td><td>Ilość: 1, na zamówienie: HR dla średniej podczerwieni, przezroczysty dla 632 nm</td></tr><tr><td>Chronione złote lustra</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-M01</td><td>Ilość: 5&nbsp;</td></tr><tr><td>BoxCars Plate</td><td>LASEROPTIK</td><td>NA</td><td>Ilość: 2, Na zamówienie</td></tr><tr><td>xy-stage</td><td>Thorlabs</td><td>DTS25/M Ilość</td><td>: 2</td></tr><tr><td>500 mm ogniskowa obiektywu CaF2, &Oslash; 2''</td><td>Eksmaoptics</td><td>110-5523E</td><td>Ilość:</td></tr><tr><td>obiektyw CaF2 o ogniskowej 1 500 mm, &Oslash; 1'</td><td>'Thorlabs</td><td>LA5464</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>obiektyw o ogniskowej 100 mm CaF2, &Oslash; 1''</td><td>Thorlabs</td><td>LA5817</td><td>Ilość: 1&nbsp;</td></tr><tr><td>Irys i Oslash; 50 mm</td><td>Thorlabs</td><td>ID50/M</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Filtr IR ND1 (ZnSe)</td><td>Thorlabs</td><td>NDIR10B</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Filtr IR ND2 (ZnSe)</td><td>Thorlabs</td><td>NDIR20B</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Filtr IR ND3 (ZnSe)</td><td>Thorlabs</td><td>NDIR30B</td><td>Ilość: 2</td></tr><tr><td>Detektor konwersji w górę</td><td>NLIR</td><td>NA (najbliższy odpowiednik: U3055 3.0-5.5&micro; m)</td> <td>Ilość: 1, na zamówienie niestandardowe&nbsp;</td></tr><tr><td>Karta detektora VIS/NIR</td><td>Thorlabs</td><td>VRC2</td><td>Ilość: 1, (niska intensywność)</td></tr><tr><td>Karta detektora NIR</td><td>Thorlabs</td><td>VRC4</td><td>Ilość: 1, (wysoka intensywność)</td></tr><tr><td>Karta detektora MIR</td><td>Thorlabs</td><td>VRC6S</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Głowica czujnika mocy cieplnej</td><td>Thorlabs</td><td>S302C</td><td>Ilość: 1</td></tr><tr><td>Konsola miernika mocy</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Ilość: 1</td></tr></tbody></table>

czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów

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

Przedstawiamy protokół do wykonywania spektroskopii gazowej za pomocą czterofalowego mieszania w podczerwieni (IR-DFWM), do ilościowego wykrywania gatunków gazów w zakresie ppm do pojedynczego procentu. Głównym celem metody jest przestrzennie rozdzielcza detekcja gatunków o niskim stężeniu, które nie mają przejść w zakresie widma widzialnym lub bliskiej podczerwieni, które można by wykorzystać do detekcji. IR-DFWM jest metodą nieinwazyjną, co jest wielką zaletą w badaniach spalania, ponieważ włożenie sondy do płomienia może go drastycznie zmienić. IR-DFWM jest połączony z detekcją konwersji w górę. Ten schemat detekcji wykorzystuje generowanie częstotliwości sumarycznej do przenoszenia sygnału IR-DFWM ze środkowej podczerwieni do obszaru bliskiej podczerwieni, aby wykorzystać doskonałą charakterystykę szumów detektorów na bazie krzemu. Proces ten odrzuca również większość termicznego promieniowania tła. Przedstawiony tutaj protokół koncentruje się na prawidłowym ustawieniu optyki IR-DFWM oraz na tym, jak ustawić system detekcji konwersji w górę wewnątrz wnęki.

Rycina 3 przedstawia sygnał dla różnych stężeń HCN w N2, uśredniony z trzech skanów dla każdego stężenia. Mieszaninę przygotowano poprzez zmieszanie 300 ppm HCN w N2 z czystym N2 przy użyciu kontrolerów przepływu masy i podgrzanie jej do 843 K. Centralny pik to linia P(20) pasma wibracyjnego ν1 HCN. Wstawka na Rycini 3 pokazuje wartość szczytową sygnału z tej linii dla każdego stężenia wraz z dopasowaniem wielomianowym drugiego stopnia. Zależność sygnału od stężenia można opisać wzorem S = ax2 + b, gdzie S to sygnał, a a i b to stałe dopasowania17. Bezwzględne pomiary stężenia w płomieniu wymagają pomiaru kalibracyjnego, jak pokazano tutaj, w znanej temperaturze, w celu wyznaczenia stałej a. Należy również zmierzyć temperaturę w objętości pomiarowej płomienia, ponieważ stała a zmienia się wraz z temperaturą; pełna dyskusja na ten temat została już opublikowana17. Okres polaryzacji zastosowany w tym pomiarze wynosił 21,5 µm, przy temperaturze kryształu 104,5 °C.
Rysunek 4 przedstawia surowe dane z płomienia premiksowanego. Widocznych jest pięć następujących po sobie skanów w zakresie 3229,5-3232 cm-1, przy czym każdy skan trwał około 65 s. Obejmują one trzy grupy linii wodnych wykorzystywanych do pomiarów temperatury. W idealnych warunkach, przy pracy ze stabilnym układem, każdy skan w tym samym zakresie powinien być identyczny, ponieważ stężenie, ciśnienie i temperatura powinny pozostać niezmienione. Intensywność linii widocznych na rysunku zmienia się drastycznie z pomiaru na pomiar, co wynika z niestabilności trybu i energii impulsów laserowych między poszczególnymi skanami. Takie wyniki są bezużyteczne, chyba że zarejestrowano energię impulsów laserowych, co pozwala odseparować pomiary o wystarczającej energii od pozostałych. Okres polaryzacji zastosowany w tym pomiarze wynosił 21,5 µm, a temperatura kryształu 123 °C.
Na rysunku 4 rozpraszanie tła nie jest widoczne, ponieważ w celu zmniejszenia sygnału i uniknięcia nasycenia detektora zastosowano filtr ND2. W przypadku słabszych sygnałów stwierdzono, że rozpraszanie tła wynosi około 5 pJ na impuls, co odpowiada sygnałowi generowanemu z linii P(20) pasma wibracyjnego ν1 dla 100 ppm HCN w temperaturze pokojowej.
<img alt="Schemat układu optycznego w średniej podczerwieni; laser Nd:YVO4, kryształ PPLN; badanie konwersji częstotliwości w górę." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Schemat detektora do konwersji częstotliwości w górę. U1-U7 oraz UH to lustra z powłoką wysokoodblaskową (HR) dla 1 064 nm. Wszystkie lustra są płaskie, z wyjątkiem U3, które ma promień krzywizny 200 mm. Lustra U1-U5 zostały wykonane tak, aby były przepuszczalne dla długości fali diody laserowej, aby zapewnić, że światło LD nie dotrze do detektora. Lustro U6 jest przepuszczalne dla sygnału po konwersji w górę, 650-1 050 nm. Lustro U7 jest przepuszczalne dla sygnału w średniej podczerwieni. Lustro UH jest w 95% odbijające dla 1 064 nm i w 5% przepuszczalne. Długość drogi od U1 do U3 wynosi 156 mm, a długość drogi od U3 do U7 wynosi 202 mm. L4 i L5 to soczewki achromatyczne o ogniskowych odpowiednio 60 mm i 75 mm. Obie są przezroczyste dla 650-1 050 nm. Kamera użyta jako detektor jest umieszczona 75 mm od soczewki L5. Pole wnęki jest spolaryzowane pionowo. Zastosowany tutaj kryształ PPLN ma okresy polaryzacji 21,0 µm, 21,5 µm, 22,0 µm, 22,5 mm i 23,0 µm, a długość kryształu wynosi 20 mm. Wykorzystany detektor widzialnego i bliskiego podczerwonego zakresu to kamera UI-5240CP-NIR-GL firmy IDS Imaging Development Systems. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat układu optycznego; laser impulsowy, laser HeNe, dzielniki wiązki; spektroskopia przejściowa absorpcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Schemat układu DFWM. M1 to lustro dielektryczne o wysokim współczynniku odbicia (HR) dla długości fali lasera impulsowego. M2 to lustro dielektryczne powlekane tak, aby było HR dla długości fali lasera impulsowego i przepuszczalne dla wiązki prowadzącej lasera HeNe. M3-M6 to chronione lustra złote. B.C.1 i B.C.2 to płytki BOXCARS 1 i 2. L1 to soczewka CaF2 o ogniskowej 500 mm i średnicy 5,1 cm. L2 to soczewka CaF2 o ogniskowej 500 mm i średnicy 2,54 cm. L3 to soczewka CaF2 o ogniskowej 100 mm. Laser impulsowy jest polaryzowany pionowo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres spektroskopowy analizujący intensywność w funkcji liczby falowej dla różnych stężeń; wstawka pokazuje zależność intensywności piku." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Sygnał dla różnych stężeń HCN w N2. Pik centralny to linia P(20) pasma wibracyjnego ν1 HCN. Wstawka przedstawia sygnał szczytowy dla każdego stężenia (znaczniki w kształcie rombów) wraz z dopasowaniem wielomianowym drugiego stopnia. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres natężenia w funkcji czasu; absorpcja przejściowa; wynik spektroskopowy; analiza pików natężenia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Pięć kolejnych skanów o czasie trwania ok. 65 s na skan, wykonanych w płomieniu wstępnie wymieszanym. Laser był skanowany w zakresie 3229,5-3232 cm-1. Widoczne tutaj piki stanowią sygnał z kilku grup linii przejść H2O. Sygnał został osłabiony za pomocą filtra ND1 i ND0,6, aby uniknąć nasycenia detektora. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat dzielnika wiązki pokazujący podział światła 50/50; badanie optyki, odbicia i refrakcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Płytka BOXCARS widziana z boku. Jest to blok materiału przezroczystego. Po stronie wejściowej połowa powierzchni jest pokryta powłoką antyrefleksyjną. W tym miejscu wchodzi wiązka laserowa i dociera do strony wyjściowej, gdzie połowa powierzchni jest pokryta warstwą zapewniającą 50% transmisji. Światło odbite wewnętrznie w płytce ulega następnie refrakcji do części strony wejściowej pokrytej warstwą wysokiego odbicia i zostaje odbite przez górną połowę strony wyjściowej. W ten sposób jedna wiązka zostaje rozdzielona na dwie równoległe wiązki. Taki sam efekt można by osiągnąć za pomocą dzielnika wiązki i lustra, jednak dzielnik wiązki powodowałby pewne odbicia od tylnej powierzchni, co mogłoby zwiększyć szum tła. Ponadto płytka BOXCARS nie wymaga ustawiania, aby zapewnić równoległość dwóch wytworzonych wiązek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig5large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres mocy wewnątrzwnętrza w funkcji prądu; analiza wydajności lasera; punkty danych z słupkami błędów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6: Moc wewnątrzwnętrza jako funkcja prądu laserowej diody pompującej dla modułu upkonwersji. Każdy punkt stanowi średnią mocy zmierzonej dla trzech oddzielnych ustawień wnęki, a słupki błędów wskazują rozrzut między poszczególnymi ustawieniami. Odchylenie od idealnej charakterystyki lasera jest spowodowane efektami termicznymi w krysztale lasera oraz w krysztale PPLN. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Tutaj prezentujemy protokół do wykonywania czułej, przestrzennie rozdzielczej spektroskopii gazów w obszarze średniej podczerwieni, wykorzystując zdegenerowane mieszanie czterofalowe w połączeniu z detekcją konwersji w górę.

Czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów

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

Znaczenie naszego protokołu polega na tym, że obniża on granicę wykrywalności, umożliwiając badanie stężeń rzadkich gatunków, których inne metody nie są w stanie osiągnąć. Główną zaletą tej techniki jest dodanie modułu konwersji w górę, który omija większość szumów tła. Praca z konfiguracją konwersji w górę używaną w procesie wykrywania.Zacznij od wyeksponowania elementów wewnętrznych w konfiguracji. Dioda laserowa i kryształ wytwarzają wiązkę o długości 1064 nanometrów. Szereg luster kieruje tę wiązkę przez kryształ PPLN i z powrotem.Wiązka średniej podczerwieni z zewnątrz również przechodzi przez kryształ. Dwie wiązki wytwarzają sygnał konwersji w górę, który opuszcza kryształ PPLN i trafia do detektora. Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji.Kryształem używanym z diodą laserową jest neodiamentowy orthovanadan iterbu. Symbole od U1 do U7 to lustra, które są silnie odbite na głębokości 1064 nanometrów. Lustra od U1 do U5 są wysoce przepuszczalne na długości fali diody laserowej.Lustro U6 jest transmisyjne w zakresie sygnału konwertowanego w górę. Lustro U7 jest transmisyjne dla sygnału średniej podczerwieni. Lustro U3 ma promień krzywizny 200 mm.Pozostałe lustra są płaskie. Użyj płaskiego lustra na komediowym mocowaniu, aby ustalić wgłębienie wyrównania. Umieść lustro przed medium laserowym, aby służyło jako lustro końcowe.Obróć kąt montażu do skrajnych pozycji zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym. Następnie umieść kartę wiązki czułej na podczerwień przed lustrem U2. Wyjmij również kryształ PPLN z jego mocowania. Układ jest przedstawiony na tym schemacie.Lustro końcowe jest oznaczone przez UH. Uruchom diodę laserową przy około jednej trzeciej jej maksymalnej mocy wyjściowej. Wyrównaj wnękę, powtórz następujące kroki. Zmień kąt lusterka końcowego, dodatnio 2 stopnie w kierunku poziomym.Następnie przeciągnij pionowy kąt lustra z jednej skrajności na drugą. Wykonując tę czynność, obserwuj na karcie podczerwieni wiązkę z wnęki wyrównowania. Pod pewnym kątem poziomym zwierciadła końcowego, podczas przemiatania kąta pionowego, wnęka zacznie się leniuchować, co można zobaczyć na karcie podczerwieni.Gdy wnęka się rozleniwia, naprzemiennie reguluj kąt lustra, aby uzyskać wyższą moc, i zmniejszaj prąd napędu. W końcu miej moc, aby wiązka wychodząca z lustra była dobrze widoczna za pomocą karty IR. Teraz wyjmij kartę podczerwieni i zacznij regulować lustro, które znajdowało się za nią, U2. Wyreguluj lustro tak, aby wiązka wyrównująca była odbita od jego środka do środka lustra U3. Dostosuj kąt lustra U3 tak, aby wiązka była wyśrodkowana wzdłuż żądanej ścieżki do odbicia lustrzanego U7. Upewnij się, że wiązka przechodzi przez mocowanie PPLN na odpowiedniej wysokości i że będzie prostopadła do powierzchni kryształu.Następnie zdejmij okienko germanowe i umieść za U7.In tej pozycji kartę podczerwieni, karta IR będzie fluoryzować z powodu wiązki podczerwieni opuszczającej wnękę. Teraz dostosuj kąt U7, aby odbijał się wzdłuż ścieżki belki wyrównującej . Monitoruj kartę podczerwieni pod kątem przesyłanej wiązki i ustaw kąt lustra, aby zmaksymalizować moc wyjściową.Kontynuuj, montując kryształ PPLN w uchwycie tak, aby wiązka przechodziła przez jeden z jego kanałów. Sprawdź, czy wiązka jest nadal widoczna na karcie IR. Jeśli tak, wyreguluj U7, aby zmaksymalizować moc wyjściową, zanim przejdziesz dalej.W tym momencie wyłącz diodę laserową i wyjmij lusterko końcowe. Podłącz filtr długoprzepustowy 750 nanometrów na wejściu do konfiguracji konwersji w górę. Umieść miernik mocy za filtrem.Gdy dioda laserowa ma pełną moc, dostosuj kąt U2 i U7, aby zmaksymalizować moc. Następnie wymień miernik mocy na kartę podczerwieni o dużej mocy. Za pomocą karty sprawdź, czy wnęka działa w podstawowym trybie galicyjskim.W razie potrzeby wyreguluj lusterko U7. Po zakończeniu wyjmij filtr i ponownie załóż okienko germanowe. Przejdź dalej, aby wyrównać zdegenerowaną czterofalową konfigurację mieszania w podczerwieni.Zestaw obejmuje laser impulsowy, laser helowo-neonowy, a także lustra i soczewki, które kierują wiązki na wejście zmontowanego detektora konwersji w górę. Początkowa konfiguracja jest przedstawiona na tym schemacie. Laser helowo-neonowy zapewnia wiązkę prowadzącą.Użyj lusterek M3 i M4, aby wyrównać belkę prowadzącą z soczewką L1. Wyreguluj lusterka tak, aby wiązka pałała na soczewkę L1 w jej środku. Włóż tabliczkę wagonu między lusterko M4 a soczewkę L1. Umieść go pod kątem 45 stopni w pionie od belki poziomej. Upewnij się, że układ wytwarza dwie wiązki wyjściowe.Wstaw drugą tabliczkę wagonu po pierwszej. Ustaw go pod kątem poziomym 45 stopni od belek wyjściowych. Upewnij się, że jego wyjście ma cztery wiązki.Następnie dostosuj kąty płyt wagonów do czterech belek wyjściowych tworzących rogi kwadratu. Wyreguluj soczewkę L1, aż wiązki zostaną równomiernie rozmieszczone wokół jej środka. Teraz umieść tęczówkę na ścieżce belek.Ułóż tęczówkę tak, aby blokowała trzy wiązki pompy i przepuszczała wiązkę sygnałową. Ten schemat przedstawia stan systemu w tym momencie. Kolejne kroki będą dotyczyły soczewki L2, a zwierciadła M5 i M6.To kolimować wiązkę, wyrównywać soczewkę L2 za pomocą ogniskowej długości fali lasera impulsowego.Następnie ustaw lustra M5 i M6 tak, aby wiązka prowadząca była skierowana do okna wejściowego detektora konwersji w górę, gdzie wiązka powinna być wyśrodkowana. Umieść soczewkę L3 w odległości optycznej jednej ogniskowej od środka kryształu PPLN. Usuń okienko germanowe czujnika, aby kontynuować.W ten sposób wiązka o długości 1064 nanometrów może wyjść z modułu konwersji w górę. Następnie zacznij używać lustra M6 do przesuwania wiązki z detektora i przenieś ją na wiązkę sygnałową tak, aby zachodziły na siebie w soczewce L2. Naprzemiennie użyj lustra M5, aby przesunąć wiązkę prowadzącą na wiązkę o długości 1064 nanometrów w L3. Zatrzymaj się, gdy wiązka 1064 nanometrów i wiązka prowadząca podążają tą samą ścieżką. Ponownie podłącz okno germanowe do modułu konwersji w górę.Następnie umieść kilka filtrów o neutralnej gęstości przed detektorem, aby chronić go przed laserem impulsowym. Włącz laser impulsowy i upewnij się, że nakłada się na wiązkę prowadzącą. Teraz umieść przepływ gazu lub płomień, który ma być mierzony, w ogniskowym soczewki L1. Pomiar ten będzie obejmował przepływ metanu rozcieńczonego w azocie.Sprawdź, czy sygnał jest widoczny na detektorze. W razie potrzeby dostosuj filtry o neutralnej gęstości. Jeśli jest sygnał, zmaksymalizuj jego średnią intensywność, regulując lustra M5 i M6. Kontynuuj, blokując wiązkę sygnałową blokiem wiązki na stoliku translacyjnym.Następnie wyjmij filtry o neutralnej gęstości, które znajdują się przed detektorem. Początkowo może pojawić się sygnał spowodowany światłem rozproszonym do detektora. Na etapie translacji dostosuj położenie bloku belki, aby zmniejszyć to rozpraszanie.Kontynuuj, gdy sygnał spowodowany rozpraszaniem światła został maksymalnie zmniejszony. Następnym krokiem jest włączenie przepływu gazu, aby można było rozpocząć pomiary. Następnie zbierz dane, odpowiednio uruchamiając detektor konwersji w górę za pomocą lasera impulsowego i skanując interesujący nas zakres długości fali.Dane te dotyczą pięciu różnych stężeń cyjanowodoru w gazowym azocie. Każdy punkt reprezentuje średnią z trzech skanów przy każdym stężeniu. Centralnym szczytem jest linia P20 pasma wibracyjnego NU1 cyjanowodoru.Tutaj punkty są zmierzonymi wartościami szczytowymi w funkcji stężenia. Linia przerywana jest dopasowaniem do wielomianu drugiego stopnia. W tym przypadku dane pokazują pięć kolejnych skanów z wcześniej zmieszanego płomienia.Każde skanowanie trwa około 65 sekund i obejmuje ten sam zakres liczby fal. Zmiana intensywności między skanami wynika z tego, że tryb impulsu laserowego i energia nie są stabilne. Żaden pojedynczy krok nie jest najważniejszy, ale jeśli pomiary mają być porównywalne, wyrównanie musi za każdym razem mieć tę samą pozycję wysokości.Nauczenie się, jak dostosować tę konfigurację metodą prób i błędów, zmarnowałoby dużo czasu, dlatego chciałem zademonstrować ten proces, aby ludzie mogli uniknąć pułapek. Wprowadzenie modułu konwersji w górę umożliwiło nam wykrycie uwalniania się cyjanowodoru drobnych gatunków ze zgazowania małych granulek. Protokół ten obejmuje stosowanie laserów klasy czwartej i potencjalnie stosowanie gazów łatwopalnych, a także należy zawsze przestrzegać odpowiednich środków bezpieczeństwa.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisano technikę femtosekundowego mieszania czterofalowego, w tym konfiguracje spektralnie rozdzielcze i czasowo-rozdzielcze.  Ilustrujemy przydatność tej techniki do badania kluczowych właściwości fizycznych rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych III-V, zapewnionych przez jej nieliniowość i wysoką rozdzielczość czasową.

Pomiar zaniku koherencji w GaMnas za pomocą femtosekundowego mieszania czterofalowego

Opisujemy niezawodne generowanie niegaussowskich stanów podróżujących pól optycznych, w tym stanów pojedynczych fotonów i superpozycji stanów koherentnych, przy użyciu metody warunkowego przygotowania działającej na nieklasycznym świetle emitowanym przez optyczne oscylatory parametryczne. Rozważane są oscylatory typu I i typu II z dopasowaniem fazowym i szczegółowo opisano typowe procedury, takie jak wymagane filtrowanie częstotliwości lub charakterystyka stanu kwantowego o wysokiej wydajności...

Inżynieria stanu kwantowego światła za pomocą optycznych oscylatorów parametrycznych o fali ciągłej

Śladowe wybuchowe opary TNT i RDX zebrane na wypełnionych sorbentem termicznych rurkach desorpcyjnych były analizowane przy użyciu zaprogramowanego systemu desorpcji temperatury sprzężonego z GC z detektorem wychwytu elektronów. Analiza instrumentalna jest połączona z metodą bezpośredniego osadzania cieczy w celu zmniejszenia zmienności próbki i uwzględnienia dryfu oprzyrządowania i strat.

Ilościowe wykrywanie śladowych ilości par wybuchowych za pomocą detektora chromatografii gazowej z desorpcją w zaprogramowanej temperaturze i wychwytu elektronów

Obrazowanie spektroskopowe w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) jest szybkim i bezznacznikowym podejściem do uzyskiwania zestawów danych biochemicznych komórek i tkanek. W tym miejscu pokazujemy, jak uzyskać obrazy FT-IR o wysokiej rozdzielczości skrawków tkanek w celu poprawy diagnostyki choroby.

Obrazowanie spektroskopowe w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) o wysokiej rozdzielczości skrawków tkanek ludzkich w kierunku poprawy patologii

Opisujemy generowanie promieniowania dalekiej podczerwieni za pomocą optycznie pompowanego lasera molekularnego wraz z pomiarem ich częstotliwości za pomocą technik heterodynowych. System i techniki eksperymentalne zademonstrowano przy użyciu difluorometanu (CH, 2F2) jako ośrodka laserowego, czego wyniki obejmują trzy nowe emisje laserowe i osiem zmierzonych częstotliwości laserowych.

Charakterystyka emisji laserowych w dalekiej podczerwieni i pomiar ich częstotliwości

Manuskrypt opisuje metodę quasi-rezonansowej spektroskopii fluorescencyjnej wspomaganej fononem, która obejmuje zarówno spektroskopię o ograniczonej rozdzielczości laserowej, jak i spektroskopię fotoluminescencji (PL). Metoda ta wykorzystuje fonony optyczne do zapewnienia widm o ograniczonej szerokości linii struktur półprzewodnikowych podobnych do atomów w domenie energetycznej. Metodę tę można również łatwo zrealizować za pomocą pojedynczej konfiguracji spektrometru spektroskopii optycznej.

Spektroskopia fluorescencyjna quasi-rezonansowa wspomagana fononami o wysokiej rozdzielczości

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Rezonansowe wzbudzenie pojedynczej, samodzielnie złożonej kropki kwantowej można osiągnąć za pomocą trybu wzbudzenia prostopadłego do trybu zbierania fluorescencji. Demonstrujemy metodę wykorzystującą falowody i mody Fabry'ego-Perota płaskiej mikrownęki otaczającej kropki kwantowe. Metoda pozwala na pełną dowolność w polaryzacji detekcji.

Fluorescencja rezonansowa kropki kwantowej InGaAs we wnęce płaskiej przy użyciu ortogonalnego wzbudzenia i detekcji

Opisano użycie spektroskopii FTIR do badania właściwości powierzchni polikrystalicznych ciał stałych. Omówiono przygotowanie osadów próbek, procedury aktywacji, charakterystykę za pomocą cząsteczek sondy oraz modelowe badania adsorpcji CO2 .

In situ Spektroskopia FTIR jako narzędzie do badania oddziaływań gaz/ciało stałe: adsorpcja CO2 wzmocniona wodą w strukturze metaloorganicznej UiO-66

Opisano szczegóły generowania i optymalizacji sygnału, pomiaru, akwizycji danych i obsługi danych dla femtosekundowego, czasowo rozdzielczego, stymulowanego spektrometrem Ramana w bliskiej podczerwieni. Jako reprezentatywne zastosowanie pokazano badanie Ramana stymulowane bliską podczerwienią dynamiki stanu wzbudzonego β-karotenu w toluenie.

Ultraszybkie, czasowo-rozdzielcze, stymulowane bliską podczerwienią pomiary ramanowskie funkcjonalnych układów π-sprzężonych

Poznaj czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów. Ta metoda znacząco obniża granicę wykrywalności śladowych składników w spektroskopii gazów.

Czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów

Przeglądaj więcej filmów