Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um sensible, räumlich aufgelöste Gas-Spektroskopie im mittleren Infrarot Region, durchführen mit degenerierten vier-Welle mischen mit Großbildschirmen Erkennung kombiniert.
Abstract
Wir präsentieren ein Protokoll für die Durchführung von Gas-Spektroskopie mit Infrarot-degenerierten vier-Welle mischen (IR-DFWM), für den quantitativen Nachweis von Gas-Arten im Bereich von ppm bis einem Prozent. Der Hauptzweck der Methode ist die räumlich aufgelöste Erkennung von Low-Konzentration-Arten, die keine Übergänge im sichtbaren oder in der Nähe von IR-Spektralbereich haben, die für die Erkennung verwendet werden könnte. IR-DFWM ist eine Rezi-Methode, die ein großer Vorteil in der Verbrennungsforschung ist, wie das Einfügen eine Sonde in eine Flamme kann es drastisch ändern. Die IR-DFWM wird mit Großbildschirmen Erkennung kombiniert. Diese Erkennung Schema verwendet Summe-Frequenz-Generation, um das IR-DFWM-Signal von-IR, in der Nähe von IR-Bereich, das überlegene Geräuschverhalten von Silizium-basierten Detektoren nutzen zu verschieben. Dabei lehnt auch die meisten der thermische Hintergrundstrahlung. Die hier vorgestellten Protokoll konzentriert sich auf die korrekte Ausrichtung der IR-DFWM Optik und wie ein Intracavity Großbildschirmen Detection System ausgerichtet.
Introduction
IR-DFWM bietet die Möglichkeit zur Messung der Konzentrationen der aktiven Spezies IR bis in den ppm Level1, mit einer räumlichen Auflösung. IR-DFWM hat mehrere Vorteile, die eine attraktive Technik für Verbrennungsforschung machen. IR-DFWM ist Rezi jedoch Flammen durch die Einfügung von Sonden drastisch verändert werden können. Es hat eine räumliche Auflösung, so dass Spezieskonzentrationen an verschiedenen Punkten in der Flamme Struktur gemessen werden können. Freuen Sie sich auf ein kohärentes Signal, das aus der thermischen Emission der Flamme isoliert werden kann. Darüber hinaus ist DFWM weniger empfindlich auf die Kollision Umwelt als z. B. laserinduzierte Fluoreszenz (LIF), die schwierig sein kann, in einer Flamme zu bestimmen. Die Technik bietet auch Zugriff auf Molekülsorten, IR aktiv, aber Mangel sichtbar oder in der Nähe von sichtbaren Übergänge, die verwendet werden können, um sie mit anderen Techniken zu messen.
Während DFWM eine Reihe von Vorteilen hat, wäre alternative Techniken wünschenswert, wenn eine oder mehrere der diese Vorteile nicht benötigt werden. Wenn räumlicher Auflösung nicht benötigt wird, werden Absorption-basierte Techniken einfacher und genauer. Wenn die fragliche Molekülsorten Übergänge in der sichtbar oder in der Nähe von IR-Region haben, möglicherweise LIF vorzuziehen, wie LIF räumlich aufgelöste Informationen aus einem Flugzeug, anstatt nur einen einzigen Punkt liefern kann. Unter den richtigen Bedingungen können nichtlineare Methoden wie DFWM und PS, auch für Single-Shot 2D Messungen2verwendet werden. Das Signal dieser nichtlinearen Methoden ist proportional zu der Sonde Strahlintensität in Würfel geschnitten, und wie die Pumpstrahl erweitert werden muss, um den Bereich der 2D Messung zu decken, dies erfordert entweder sehr hohen Pulsenergien oder eine Kombination der hohen Anfälligkeit der 3. Ordnung, hohe Konzentrationen und geringes Grundrauschen zu arbeiten. Daher kommt es meist auf die Molekülsorten ob dies möglich ist.
In einem direkten Wettbewerb mit DFWM, sind die anderen vier-Wellen-mischen-basierte, spektroskopischen Techniken: kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (Autos), laserinduzierte Gitter Spektroskopie (LIGS) und Polarisation-Spektroskopie (PS). CARS ist eine bewährte Technik zur Messung von Temperatur und großen Arten in Verbrennung Umgebungen. Allerdings mangelt es die Empfindlichkeit um kleinere Tierarten, zu erkennen, da die Nachweisgrenze in der Regel ca. 1 %2 ist. PS und DFWM haben zuvor gezeigt worden, um ähnliche Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen3; jedoch ergab das Signal-Rausch-Verhältnis von DFWM zu erhöhen, indem Sie Faktor 500 in Kombination mit Großbildschirmen Erkennung4, während PS hat nur eine Erhöhung der 64-fold5gezeigt. LIGS hat den Vorteil des Verursachens ein Gitter mit mid-IR-Licht, sondern misst die Wirkung durch die Brechung einer Test-Lasers dieses Gitter, und die Wellenlänge des Test-Lasers kann6frei gewählt werden. Die Wellenlänge des Test-Lasers kann daher, in den sichtbaren Bereich sein wo schnelle, geräuscharme Silizium-basierten Detektoren zur Verfügung stehen. Dies ist die gleichen Vorteile, die mit Großbildschirmen erreicht ist. LIGS den Nachteil haben, dass es sehr empfindlich auf Kollision2, was bedeutet, dass die Konzentration der großen Gas Arten bekannt sein muss für genaue Konzentration oder Temperaturmessungen mit LIGS. Wenn dieses Problem überwunden wird, hat LIGS eine ähnliche Empfindlichkeit gegenüber DFWM und PS bei atmosphärischem Druck3, aber wo die LIGS steigt mit zunehmendem Druck, signal das Signal von DFWM und PS erhöht bei niedrigeren drücken, wodurch die bevorzugte Technik hängt von der Druck-Umgebung.
Großbildschirmen Erkennung ist die Technik der Umwandlung ein Signal von langen Wellenlängen zu kürzeren mithilfe von Sum-Frequenz-Generation. Der Vorteil davon ist, dass die Detektoren im sichtbaren und infraroten Bereich geringere Geräuschentwicklung und eine höhere Empfindlichkeit als ihre Gegenstücke in der mid-IR-Region. Dies wurde zuerst vor fünf Jahrzehnten untersucht7, aber sah nur wenig Aufmerksamkeit und nutzen seitdem aufgrund der niedrigen Wirkungsgrade. Allerdings stieg mit den Fortschritten in den Produktionstechniken für periodisch gepolten Lithium Niobat (PPLN) und anderen Materialien mit hohen nichtlinearen Koeffizienten, sowie die zunehmende Verfügbarkeit von Hochleistungs-Laserdioden (LDs), die Technik hat angezogen Aufmerksamkeit in den letzten zehn Jahren, mit Anwendungen in Bereichen wie mid-IR-Single-Photon-Erkennung8,9,10,11, IR Lidar12,13und hyperspektrale Imaging-14,15 und Mikroskopie16. Der wesentliche Vorteil der Kombination von Großbildschirmen Erkennung mit IR-DFWM ist, dass die Phase Übereinstimmungsbedingung eine schmalen Winkel- und spektrale Akzeptanz-Band, die thermische Hintergrund, was die Erkennung der schwächere Signale stark diskriminiert.
Protocol
Das Setup des Detektors Großbildschirmen ist in Abbildung 1dargestellt; Spiegel, Linsen oder andere Optiken in das Protokoll verwiesen werden identifiziert, hier oder in das Diagramm in Abbildung 2gezeigte IR-DFWM-Setup. Protokoll Abschnitt beschäftigt sich hauptsächlich mit der Ausrichtung der optische Aufbau für diese Methode verwendet, und der Prozess kann jederzeit durch das Ausschalten aller Lauftechnik angehalten werden. Alle Spiegel werden manuell angepasst. Die Software verwendet hier zur Steuerung der Kamera und LD wurde zusammen mit den Großbildschirmen Detektor geliefert. Die Nutzung der Software wird am Ende des Protokolls beschrieben.
(1) Großbildschirmen
- Setzen Sie den Ende Spiegel Ausrichtung Hohlraum, UH, wie in Abbildung 1dargestellt.
- Entfernen Sie PPLN-Kristall aus der Kristall-Halterung.
- Legen Sie eine IR-empfindlichen Karte (empfindlich auf 1.064 nm) in Position A, siehe Abbildung 1.
- Schalten Sie den Winkel der kinematischen Halterung hält UH an die extreme Position in horizontaler und vertikaler Richtung. Schalten Sie dann die LD auf etwa 1/3 der maximalen Leistung.
- Richten Sie die Ausrichtung-Hohlraum wie folgt.
- Ändern Sie den Winkel der UH +0,2 ° in horizontaler Richtung.
- Fegen Sie den vertikalen Winkel des UH von einem extrem zum anderen, beim Ansehen der IR-Karte für einen Lichtstrahl aus dem Hohlraum Ausrichtung.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.5.1 und 1.5.2, bis der Hohlraum lasing beginnt.
- Wenn die Ausrichtung Hohlraum lasing ist, wechseln Sie zwischen Einstellung des Winkels der UH für eine höhere Leistung und Reduzierung den aktuellen LD-Antrieb. Die LD ist so bemessen, um den vollständigen Hohlraum zu fahren, der viel höhere Verluste als die Ausrichtung Hohlraum hat. Halten Sie die macht, wo der Strahl verlässt UH befindet sich gut sichtbar mit der IR-Karte aber nicht mehr als das.
- Entfernen Sie die IR-Karte.
- Stellen Sie den Winkel der U2, also die Ausrichtung Strahl in die Mitte der U3 (Abbildung 1) reflektiert wird.
Hinweis: Der Strahl aus dem Hohlraum Ausrichtung sollte U2 in der Mitte treffen. - Stellen Sie den Winkel der U3, so dass der Strahl U4, U5 und U6 weiterhin und sich von U6, U7 spiegelt.
- Der Strahl muss die PPLN Halterung auf der Höhe der Mitte der Kanäle des Kristalls PPLN durchlaufen, und es muss senkrecht zur Oberfläche des Kristalls eingeben. U2, um die Höhe und Neigung, zu korrigieren, während der Anpassung U3 um den Strahl durch die Löcher Ebene und zentriert zu halten verwenden x und y.
- Entfernen Sie das Germanium Fenster und legen Sie die IR-Karte hinter U7, so dass ein IR-Strahl verlassen die Kavität wird die Karte getroffen, und die Fluoreszenz der Person ausrichten der Kavität sichtbar sein wird.
Hinweis: Die Ausrichtung Strahl wird jetzt durch die PPLN passierend montieren und U7 getroffen. - Stellen Sie den Winkel der U7, so dass die Reflexion von U7 zurück auf dem Weg des Strahls Ausrichtung geht. Passen Sie den Winkel der U7, achten Sie auf einen Balken auf der IR-Karte. Wenn ein Lichtstrahl gesehen wird, stellen Sie den Winkel der U7, die Leistung zu maximieren.
- PPLN in die Halterung zu montieren. Stellen Sie sicher, dass die Halterung ist so platziert, dass der Strahl durch einen der Kanäle im Kristall geht.
- Fahren Sie mit den Teilschritt (Schritt 1.13.1, 1.13.2 oder 1.13.3) Abgleich der aktuellen Situation.
- Wenn ein IR-Strahl noch sichtbar verlassen U7 ist, passen Sie U7 zur Maximierung der Ausgabe, und fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort.
- Wenn der IR-Strahl verlassen U7 nicht mehr sichtbar ist, erhöhen Sie der LD zu 1/3 der maximalen Leistung zu, und überprüfen Sie, ob der IR-Strahl gesehen werden kann. Wenn ein Balken sichtbar ist, gehen Sie zu Schritt 1.13.1; fahren Sie andernfalls mit Schritt 1.13.3.
- Reduzieren Sie die aktuellen LD auf die vorherige Ebene und die Spur der Führer Strahl zu sehen, ob es die PPLN in der Mitte einer der Kanäle durchläuft. Wenn dies nicht der Fall, wiederholen Sie ab Schritt 1,7, aber mit der PPLN in der Halterung.
- Schalten Sie die LD, UH zu entfernen und anbringen den LP750 Filter an Position B (siehe Abbildung 1).
- Setzen Sie den Leistungsmesser hinter U7, sondern lassen Sie Raum für die Überprüfung des Strahls mit einer IR-Karte. Schalten Sie dann die LD bei voller Leistung.
- Nehmen Sie wenn kein Signal auf den Leistungsmesser gesehen wird, kleiner Winkelveränderungen U7 vor, während gerade für ein Signal an den Leistungsmesser. Wenn ein Signal gefunden wird, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort; Andernfalls mit Schritt 1.1 zurück.
- Optimieren Sie die Kavität Ausrichtung durch eine Anpassung der Winkel von U2 und U7 zu maximieren macht, und mit einem Hochleistungs-IR-Karte um zu überprüfen, dass der Hohlraum in der Gauß'schen Grundmode ausgeführt wird.
Hinweis: Während es in eine höhere Ordnung Modus zu höherer Leistung möglich wäre, ist es entscheidend für den Wirkungsgrad, den der Laser in der Grundmode ausgeführt wird. - Wenn der Hohlraum in der Grundmode nicht ausgeführt wird, wird es in eine höhere Ordnung-Modus laufen, wo mehrere Lappen auf der IR-Karte sichtbar sind. Drehen Sie U7 so, dass die Lappen näher zusammen auf der IR-Karte gebracht werden bis sie verschmelzen.
- Notieren Sie die Ausgangsleistung bei U7. Nutzen Sie dies und die Übertragung der U7 Intracavity Feld berechnet. Vergleichen Sie diesen Wert auf die Kalibrierkurve in Abbildung 6.
- Wenn der Hohlraum optimiert wurde, entfernen Sie LP750 Filter, und befestigen Sie wieder die Germanium-Fenster.
(2) IR-DFWM Ausrichtung
Hinweis: Siehe Abbildung 2 für ein Diagramm des DFWM Aufbaus.
- Richten Sie HeNe-Laser-Strahl (Führer-Beam) mit M3 und M4, L1 in der Mitte gehen horizontal von M4 bis L1 zu schlagen.
- Legen Sie BOXCARS Platte 1 in einem 45°-Winkel zum Balken (vertikale Richtung) und sicherzustellen Sie, dass der Strahl durchläuft zwei Ausgabe-Strahlen produzieren.
- Legen Sie BOXCARS Platte 2 in einem 45° Winkel auf die Unterzüge (horizontaler Richtung) und sicherzustellen Sie, dass der Strahl durchläuft produzieren vier Ausgabe-Balken. Stellen Sie den Winkel der Platten, so strahlen wie die Ecken in einem Quadrat angeordnet sind.
- Passen Sie die Position der L1, bis der Balken um das Zentrum der Linse gleichmäßig verteilt sind.
- Lassen Sie die Signal-Balken, die generiert wird, auf dem Weg des Strahls durch die Strahl-Block, vorerst nicht mehr blockiert, damit es verwendet werden kann, der Rest des Setups ausrichten blockiert. Legen Sie die Iris, damit es die Pumpe drei Balken blockiert, sondern den vierten Strahl, den Signalstrahl ermöglicht passieren.
- Richten Sie L2, also der Signalstrahl kollimiert ist. Dies muss mit den Brennweiten bei der Wellenlänge des gepulsten Lasers und nicht durch Sichtkontrolle, wie die Brennweiten verschiedene für die Wellenlänge von der Guide-Strahl und Mitte der IR. werden
- M5 und M6 zu platzieren, so dass der Führer Strahl auf das Eingabefenster von Großbildschirmen Detektor und senkrecht zu den Eingabe-Fenster zentriert ist.
- L3 eine Brennweite optische Entfernung vom Zentrum der PPLN statt. Berücksichtigen Sie die Brechung der Germanium Fenster, den Hohlraum-Spiegel und die PPLN selbst.
- Richten Sie Moduls Großbildschirmen und schalten Sie ihn ein (siehe Abschnitt 1).
- Entfernen Sie das Germanium Fenster des Detektors Großbildschirmen. Dadurch wird einen 1064 Strahl auf das Großbildschirmen Modul zu beenden.
- Überlappen der HeNe-Laser-Strahl und dem 1064 Strahl aus den Großbildschirmen Detektor mit M6, um 1064-Strahl auf den Signalstrahl zu bewegen, so dass sie an L2 überlappen und mithilfe von M5, um den Führer-Strahl auf den 1064 Strahl an L3 zu bewegen. Wechseln zwischen den beiden spiegeln bis der Führer-Strahl und die 1064 folgen den gleichen Weg.
- Befestigen Sie das Germanium-Fenster.
- Legen Sie mehrere ND-Filter in den Strahlengang vor den Großbildschirmen Detektor. Sorgsam lassen niemals einen ungeschw Strahl aus der gepulsten Laser in den Großbildschirmen Detektor, da die hohe Energie des Detektors wahrscheinlich sonst beschädigt werden.
- Schalten Sie die gepulste Laser und sicherzustellen Sie, dass es stabil und bei einer entsprechenden Energie pro Puls läuft.
- Überschneiden sich die gepulste Laser und der Führer-Strahl wie folgt.
- Stellen Sie den Winkel der M1 bis der gepulste Laser Guide-Strahl auf Strahl Combiner (M2) überlappt.
- Stellen Sie den Winkel des M2, so dass der gepulste Laser in der Ausbreitungsrichtung des Strahls Führer reflektiert wird.
- Überprüfen Sie, dass die Balken in der Strahl-Combiner und in einer Entfernung von 1 m, 2 m und 3 m überlappen.
- Im Mittelpunkt der Balken nach L1 zu finden. Platzieren Sie die Gasströmung oder Flamme gemessen werden, so dass die Messstelle im Brennpunkt der Strahlen ist.
- Verbinden Sie das Triggersignal des gepulsten Lasers auf den Großbildschirmen Detektor zur Zeit Tor die Erkennung. Wenn die Zeit-Verzögerung und Tor-Zeit nicht bekannt sind, beginnen Sie mit einer langen Dauer der Zeit-Tor und einzugrenzen Sie es, wenn das Signal gefunden wird.
- Suchen Sie das Setup, vor allem die BOXCARS Platten für fehlgeleitete Reflexionen und sicherzustellen Sie, dass sie blockiert sind.
- Optimieren Sie die Ausrichtung des Strahls in den Großbildschirmen Detektor Signal wie folgt.
- Wenn ein Signal auf den Detektor sichtbar ist, passen Sie M5 und M6, um das Signal zu maximieren.
- Wenn kein Signal auf den Detektor sichtbar ist, reduzieren Sie die ND Filter um ein Vielfaches. Wiederholen Sie, bis ein Signal zu sehen ist.
- Wenn das Signal auf den Detektor gesättigt ist, erhöhen Sie die ND Filter um ein Vielfaches. Wiederholen Sie, bis das Signal nicht mehr gesättigt ist.
- 2.19.1-2.19.3 Schritte durchlaufen Sie, bis das Signal nicht mehr gesteigert werden kann, durch Anpassung der M5 und M6.
- Platzieren Sie den Strahl-Block, so dass es den Signalstrahl blockiert, wie in Abbildung 2gezeigt. Dann entfernen Sie die ND-Filter.
- Richten Sie den Strahl-Block, Streuung (Hintergrundgeräusche) gesehen auf den Detektor zu reduzieren. Sorgsam nicht versehentlich Strahls zu entsperren und den Detektor um direktes Licht aus dem gepulsten Laser setzen.
- Bereiten Sie den Gasstrom oder Flamme gemessen werden. Prüfen Sie im Anschluss die gepulsten Laser über den Wellenlängenbereich von Interesse, während der Aufnahme des Signals vom Melder. Dadurch wird ein Abgleich der Gaszusammensetzung in der Überlappung der Balken Spektrum erzeugt.
(3) Laser-Diode-Software
- Führen Sie das LabVIEW-Programm AuroraOne control.vi.
- Klicken Sie in die Position on auf Laser TEC aktivieren , und klicken Sie auf der RW/TW-Sicherheit -Taste ausschalten.
- Festlegen des Lasers aktuelle indem Sie den gewünschten Wert in Mikrowatt im Feld TA Sollwert eingeben. Eingabe eines neuen Werts während der Laser läuft wird die aktuelle anpassen.
- Klicken Sie auf aktivieren Sie TA in die Position " on ", die Laser-Diode auf aktuelle verwandeln.
- Schalten Sie die Laserdiode durch Klicken auf die TA zu ermöglichen und die Laser TEC ermöglichen die Positionen aus .
(4) IDS Imaging Development Systems
- Führen Sie das LabVIEW-Programm UpconversionControl.vi.
- Auf der Registerkarte Einstellungendie Verschlusszeit voraussichtlich 8 µs durch Eingabe des Werts im Feld mit der Bezeichnung Belichtungszeit (s).
- Auf der Registerkarte Einstellungengeben Sie die Verschlusszeit auf Global im Feld mit der Bezeichnung IDS Auslöser.
- Geben Sie unter der Registerkarte " DBGdie Trigger zu Lo_Hi im Feld IDS Trigger .
- Unter der Registerkarte DBG2inmitten der Trigger-Delay Feld mit der Bezeichnung IDS Trigger Delay (µs). Dies hängt die Verzögerung zwischen den Trigger-Impuls und der Laserpuls des Lasers.
- Auf der Registerkarte Einstellungensetzt die off Set x und off Set y auf 480 Pixel und die Breite und Höhe auf 96 Pixel.
- Auf der Registerkarte Einstellungenlegen Sie die Frame-Rate auf 0 im Feld Framerate ; Dies stellt die Kamera ein Bild pro Triggersignal zu nehmen.
- Schalten Sie die Kamera durch Drücken der Taste Start Erwerb .
- Wenn ein Signal den Großbildschirmen Detektor eingibt, wird das Signal als einen hellen Fleck in der Mitte der Abbildung auf der rechten Seite in das LabVIEW-Programm angezeigt. Verwenden Sie die Rect -Funktion auf der linken Leiste neben dem Bild ein 6 x 6 Pixel-Rechteck um das Signal zu zeichnen.
- Die durchschnittliche Intensität aus den ausgewählten Pixeln als Funktion der Zeit unter der Registerkarte " Verlauf " anzeigen. Falls erforderlich, kann das Diagramm gelöscht werden, indem es mit der rechten Maustaste und wählen Löschen.
- Die Akquisition von neuen Bildern von der Kamera nicht mehr mit der Taste Stop Erwerb .
- Exportieren Sie die Daten mit der rechten Maustaste die Intensität Handlung, wählen Sie Daten in die Zwischenablage kopierenund Einfügen der Daten in eine .txt -Datei.
- Schalten Sie die Kamera und Programm durch Drücken der Schaltfläche " Herunterfahren ".
Representative Results
Abbildung 3 zeigt das Signal aus unterschiedlichen Konzentrationen von HCN in N2, gemittelt über drei Scans für jede Konzentration. Die Mischung wurde von 300 ppm HCN N2 mit reinem N2 mass flow Controller mischen und erwärmen es auf 843 K. vorbereitet Der Zentralgipfel ist die P(20) Linie der ν1 Schwingungs Band von HCN. Die in Abbildung 3 sehen Sie des Spitzenwert des Signals aus dieser Zeile für jede Konzentration mit einem zweiten Grades Polynom passen. Die Abhängigkeit der Konzentration des Signals kann beschrieben werden durch S = Ax2 + b, wo S ist das Signal und a und b sind konstanten17passend. Absolute Konzentrationsmessungen in eine Flamme erfordern eine Kalibrierung-Messung, wie hier, bei einer bekannten Temperatur dargestellt, um die Konstante einbestimmen. Die Temperatur im Messvolumen in der Flamme muss auch gemessen werden, wie die konstant eine Temperatur Skalen; eine vollständige Beschreibung davon wurde bereits veröffentlichten17. Die Schlackenlinie verwendet für diese Messung betrug 21,5 µm mit einer Kristall-Temperatur von 104,5 ° C.
Abbildung 4 stellt Rohdaten aus einer vorgemischten Flamme. Es zeigt fünf aufeinander folgende Scans über den Bereich 3229.5-3232 cm-1, jedem Scan unter ca. 65 s. Diese drei Deckungsgruppen der Wasserlinien, für Temperaturmessungen eingesetzt. Im Idealfall sollte beim Arbeiten mit einem stabilen System jedem Scan über den gleichen Bereich identisch sein, wie die Konzentration, Druck und Temperatur unverändert sein sollte. Die Intensität der Linien gesehen hier Änderungen ist die drastisch von Scan, Scan, weil der Laser-Pulse-Modus und Energie ist nicht stabil Scan-Scan. Solche Ergebnisse sind unbrauchbar, es sei denn, die Laser-Impuls-Energie zu verzeichnen und verwendet werden, kann um Messungen mit ausreichend Laser-Impuls-Energie vom Rest zu sortieren. Die Schlackenlinie verwendet für diese Messung betrug 21,5 µm mit einer Kristall-Temperatur von 123 ° C.
In Abbildung 4ist die Hintergrund Streuung nicht gesehen, weil ein Sd2-Filter verwendet wurde, um das Signal zu vermeiden Sättigung des Detektors zu reduzieren. Für schwächere Signale wurde festgestellt, dass die Hintergrund-Streuung in der Größenordnung von 5 pJ pro Puls, ist das das Signal generiert aus der P(20) Linie der ν1 Schwingungs Band von 100 ppm HCN bei Raumtemperatur entspricht.
Abbildung 1: schematische Darstellung der Großbildschirmen Detektor. U1-U7 und UH sind Spiegel, stark reflektierende (HR)-beschichtet für 1.064 nm. Alle Spiegel sind, mit Ausnahme von U3, die einen 200 mm Radius der Krümmung aufweist. Spiegel U1-U5 fühlten uns transmissive bei der Wellenlänge der Laserdiode, um sicherzustellen, dass das LD-Licht den Detektor nicht erreicht werden. U6 ist nach dem hochkonvertiert Signal, 650-1.050 nm transmissive. U7 ist transmissive für das mid-IR-Signal. UH ist 95 % reflektierend für 1.064 nm und 5 % transmissive. Die Pfadlänge von U1 bis U3 ist 156 mm und die Pfadlänge von U3, U7 ist 202 mm. L4 und L5 sind achromatische Linsen mit 60 mm und 75 mm Brennweiten, beziehungsweise. Beide sind für 650-1.050 nm transparent. Die Kamera verwendet als Detektor befindet sich 75 mm vom L5. Das Resonatorfeld ist vertikal polarisiert. Die hier verwendeten PPLN hat poling Perioden von 21,0 µm, 21,5 µm 22,0 µm, 22,5 mm und 23,0 µm und die Kristall-Länge beträgt 20 mm. Der sichtbare und Nah-Infrarot-Detektor verwendet ist ein UI-5240CP-NIR-GL-Kamera von IDS Imaging Development Systems. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Diagramm des Setups DFWM. M1 ist eine dielektrische Spiegel stark reflektierende (HR) bei der Wellenlänge des gepulsten Lasers. M2 ist ein dielektrische Spiegel beschichtet, um HR bei der Wellenlänge des gepulsten Lasers und transmissive für den HeNe Reiseführer Strahl sein. M3-M6 sind gold Spiegel geschützt. B.C.1 und B.C.2 sind BOXCARS Platten 1 und 2. L1 ist ein 500 mm Brennweite CaF2 Objektiv mit einem Durchmesser von 5,1 cm. L2 ist eine 500 mm Brennweite CaF2 Objektiv mit einem Durchmesser von 2,54 cm. L3 eine 100 mm Brennweite CaF2 Objektiv. Gepulste Laser ist vertikal polarisiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Signal aus unterschiedlichen Konzentrationen von HCN in N2. Der Zentralgipfel ist die P(20) Linie der ν1 Schwingungs Band von HCN. Der Inset zeigt das Peak Signal jede Konzentration (Diamant Indexe), mit ein zweiter Ordnung Polynom passen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Fünf aufeinander folgende Scans von ca. 65 s Dauer pro Scan, in eine vorgemischte Flamme getan. Der Laser wurde über den Bereich des 3229.5-3232 cm-1gescannt. Die Gipfel, die hier zu sehen sind das Signal von mehreren Sammlungen von H2O Übergang Linien. Das Signal wurde mit einem ND1 und ein ND0.6-Filter vermeiden Sättigung des Detektors reduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: A BOXCARS Platte von der Seite gesehen. Es ist ein Block aus transparentem Material. Auf der Eingangsseite ist es mit einer Antireflex-Beschichtung auf die Hälfte der Oberfläche beschichtet. Der Laserstrahl tritt hier und erreicht die Output-Seite, wo die Hälfte die Oberfläche für eine 50 %-Übertragung beschichtet ist. Intern in der Platte reflektierte Licht wird dann zum Teil von der Eingangsseite beschichtet für hohe Reflexion gebrochen und spiegelt sich durch die obere Hälfte der Output-Seite. Dies wird ein Lichtstrahl in zwei parallele Strahlen aufgeteilt. Der gleiche Effekt erzielt man mit einem Strahlteiler und Spiegel, aber ein Strahlteiler hätte einige Überlegungen von der hinteren Oberfläche, die was den Geräuschpegel erhöhen könnte. Auch erfordert die BOXCARS Platte keine Ausrichtung um sicherzustellen, dass die beiden Strahlen produziert parallel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: Intracavity Kraft als Funktion der Pumpe Laserdiode Strom für das Modul Großbildschirmen. Jeder Punkt ist durchschnittlich die Macht von drei getrennten Achsen der Kavität gemessen und die Fehlerbalken zeigen die Spannweite zwischen den getrennten Achsen. Die Abweichung von der ideale Laser Verhalten verursacht durch thermische Effekte in der Laserkristall und der PPLN-Kristall. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Discussion
Die Genauigkeit der Ausrichtung des gepulsten Laserstrahls ist entscheidend für die Empfindlichkeit der Methode. Besondere Vorsicht ist geboten, um sicherzustellen, dass die Balken von gleichem Abstand nach den BOXCARS Platten getrennt sind und, dass die Strahlen gleichermaßen rund um das Zentrum der L1 verteilt. Abweichung von diesem führt zu einem deutlichen Rückgang in Signalintensität und daher Sensibilität. Ebenso muss darauf geachtet werden, dass der Großbildschirmen Modul Hohlraum in der Grundmode ausgeführt wird und dass der Signalstrahl für eine optimale Überlappung mit Großbildschirmen Pumpe ausgerichtet ist. Das Signal kann leicht durch ein oder zwei Größenordnungen reduziert werden, wenn der Großbildschirmen Hohlraum im falschen Modus ausgeführt wird oder die Signal Strahl Überlappung mit dem Hohlraum-Feld suboptimal ist. Dazu gehören L3 millimetergenau platzieren, so dass der Signal Strahl Dreh-und Angelpunkt in der Mitte der PPLN-Kristall. Eine optimale Überlappung mit 80 W der Hohlraum macht ist eine 6 % Quantenausbeute der SFG-Stufe möglich. Mit dem Detektor und hier verwendete Wellenlänge beträgt die total Nachweiseffizienz 3 %. Die maximale Intracavity macht, erreicht werden kann, ist 120 W, aber 80 W zuverlässig erreicht werden. Der Umwandlungswirkungsgrad ist proportional zur Intracavity Potenz, sodass Signale aufgezeichnet mit einer unterschiedlichen Intracavity Leistung verglichen werden können, wenn die Intracavity macht aufgezeichnet wird.
Der wichtigste begrenzende Faktor für die Empfindlichkeit dieser Methode ist die Hintergrund-Streuung, die schwachen Signale ertrinkt. Um diese Streuung zu begrenzen, ist es wichtig, dass die Optik ist staubfrei gehalten, vor allem Linse L1. Auch muss darauf geachtet werden, dass die Position des Blocks Strahl die Hintergrundgeräusche minimiert. Der Strahl-Block sollte auf einer Xy-Bühne platziert werden, so dass es auf kontrollierte Weise in beiden horizontalen und vertikalen Ebene senkrecht zur Richtung der Balken bewegt werden kann.
Diskutiert hier Scannen erfolgt mit der PPLN bei einer konstanten Temperatur. Der Umwandlungswirkungsgrad ist proportional zur Sinc (ΔkL/2π)2, wo Δk ist das Missverhältnis von Phase und L ist die Länge des Kristalls. Die volle Breite halbe maximale (FWHM) dieser Funktion ist die Bandbreite des Detektors auf konstanter Temperatur PPLN Kristall. Die FWHM dieser Funktion ändert sich mit der Kristall-Temperatur und Wellenlänge aber ist in der Regel in der Größenordnung von 5 cm-1 in der mid-IR, für ein 20 mm langer Kristall. Die Ausnahme ist in der Nähe von 4.200 nm, wo die Breite18 erhöht.
Keine Skalierung Optik wurden in das Setup-Diagramm in Abbildung 2, da gibt es eine Reihe von Fragen zu prüfen, bevor entscheiden, was, wenn überhaupt, Skalierung ist erforderlich. Für das hier beschriebene Setup ist die gepulste Laserstrahl auf einen Durchmesser von ca. 2 mm kollimiert, bei L1 zu erreichen. Dies gibt eine breite Taille in den Mittelpunkt von rund 400 µm, mit einer Wellenlänge von 3 µm. Bei der Umsetzung dieser Technik ist es möglicherweise wünschenswert, die Brennweite des L1, entweder zu ändern, weil mehr Platz zwischen L1 und der Dreh-und Angelpunkt aus praktischen Gründen erforderlich ist oder das Messvolumen zu kürzen, durch die Erhöhung der Konvergenz-Winkel, die sein kann erfolgt, indem man eine kürzere Brennweite. In diesem Fall die breite Taille im Brennpunkt aufbewahrt werden, bei ca. 400 µm und kollimierten Strahl sollte entsprechend skaliert werden. Es sollte jedoch, berücksichtigt werden, dass der Strahldurchmesser ohne Erhöhung den Abstand der Balken die Streuung von den Strahl Block Kanten erhöhen wird. Die räumliche Auflösung ist durch die Überlappung der Pumpe Strahlen gegeben. Für das hier beschriebene Setup ist die Überlappung 6 mm lang, so dass das Messvolumen ein Zylinder 6 mm lang, mit einem Radius von 0,4 mm.
Um quasi-phase-matching im PPLN Kristall zu erreichen, müssen das mid-IR-Signal und Intracavity Bereich des Hohlraumes Großbildschirmen außerordentlich im PPLN Kristall polarisiert werden. Die Großbildschirmen Kavität sollte gebaut werden, damit die Polarisation des Feldes Intracavity automatisch richtig ist. Wenn die mid-IR-Laser nicht bereits dadurch übereinstimmt, kann ein Waveplate am Ausgang, um die Polarisation zu machen mid-IR-Laser eingefügt werden.
IR-DFWM erfordert relativ hochenergetische Impulse, 1-4 mJ, kombiniert mit einem engen genug Laser Linewidth um molekulare Linien zu beheben, die in der Größenordnung von 0,1 cm-1sind. Laser, die diesen Kriterien in der Regel entsprechen haben geringe Wiederholungsraten und da Datenerfassung mit DFWM in der Regel erfolgt durch Scannen der Wellenlänge des Lasers, dies schränkt Messungen Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Methode am ehesten angewendet wird, um Messungen, wo das Thema nicht im Laufe der Zeit ändert, obwohl es auch auf zeitlich aufgelöste Messungen17angewendet wurde. Eine weitere Einschränkung ist, dass wegen der Empfindlichkeit gegenüber Streulicht, Partikel in oder in der Nähe das Messvolumen Streuung Ereignisse schaffen, die völlig das Signal17ertrinken. Die Phase Übereinstimmungsbedingung Großbildschirmen Prozesses ist spektral schmal, der Lärm von der thermischen Strahlung zu beseitigen hilft, aber es macht Scans über breite Wellenlängenbereiche mehr Zeit in Anspruch wie die PPLN Temperatur optimiert werden muss, halten die Signal-Wellenlänge Phase abgestimmt.
Zukünftige Verwendung von IR-DFWM sind für den Nachweis von NH3 in Flammen, oder weiterhin die Arbeit mit HCN in praktischer Umgebungen geplant. Das naheliegendste Mittel zur Verbesserung der Methode ist, den Hintergrund von Streulicht weiter zu reduzieren. Dies könnte mit räumlichen Filterung von den Signalstrahl, nachdem das Signal von L2 gesammelt werden.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Finanzierung wurde von den Autoren im Rahmen von Horizont 2020 der Europäischen Union wird sehr geschätzt. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Mid TECH Marie Curie innovative Ausbildung Netzwerks [H2020-MSCA-ITN-2014-642661] durchgeführt.
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
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