Summary
Nous présentons ici un protocole pour effectuer la spectroscopie de gaz sensible et résolue spatialement dans la région de l’infrarouge moyen, en utilisant le mélange à quatre ondes dégénéré combinée avec la détection de conversion ascendante.
Abstract
Nous présentons un protocole pour l’exécution de spectroscopie de gaz en utilisant le mélange à infrarouge quatre ondes dégénéré (IR-DFWM), pour la détection quantitative des espèces de gaz dans la gamme ppm-à-seul-pour cent. L’objectif principal de la méthode est résolue spatialement détection des espèces de faible concentration, qui n’ont aucune transition dans le domaine spectral visible ou infrarouge proche qui pourrait être utilisé pour la détection. IR-DFWM est une méthode non intrusive, qui est un grand avantage dans la recherche de la combustion, que l’insertion d’une sonde dans une flamme peut le changer radicalement. L’IR-DFWM est combiné avec détection de conversion ascendante. Ce système de détection utilise la génération de fréquence somme pour passer le signal IR-DFWM de la mid-IR à la région du proche infrarouge, à tirer parti des caractéristiques du bruit supérieure des détecteurs à base de silicium. Ce processus rejette également la plus grande partie du rayonnement thermique. La mise au point du protocole présenté ici est sur le bon alignement de l’optique IR-DFWM et sur la façon d’aligner un système de détection d’upconversion intracavité.
Introduction
IR-DFWM offre la possibilité de mesurer les concentrations des espèces actives IR vers le bas pour le ppm niveau1, avec une résolution spatiale. IR-DFWM a plusieurs avantages qui en font une technique séduisante pour la recherche de la combustion. Flammes peuvent changer radicalement par l’insertion des sondes, mais IR-DFWM est non intrusive. Il a une résolution spatiale, alors que les concentrations des espèces à différents points de la structure de la flamme peuvent être mesurées. Il fournit un signal cohérent, qui peut être isolé de l’émission thermique de la flamme. En outre, DFWM est moins sensible à la fluorescence d’environnement que, par exemple, induite par laser de collision (FRV), qui peut être difficile de déterminer dans une flamme. La technique donne également accès à des espèces moléculaires qui sont IR actif mais les transitions visible ou proche de manque qui permet de les mesurer avec d’autres techniques.
Alors que DFWM a un certain nombre d’avantages, des techniques alternatives serait préférables si une ou plusieurs de ces avantages ne sont pas nécessaires. Si une résolution spatiale n’est pas nécessaire, techniques basées sur l’absorption sera plus simple et plus précis. Si les espèces moléculaires en question ont des transitions dans la région visible ou infrarouge proche, FRV serait préférable, comme FRV peut fournir des renseignements spatialement résolus depuis un avion plutôt qu’à un seul point. Dans de bonnes conditions, les méthodes non linéaires, tels que DFWM et PS, utilisable également pour des mesures 2D single shot2. Le signal de ces méthodes non linéaires est proportionnels à l’intensité du faisceau sonde coupée en cubes, et que le faisceau de la pompe doit être étendu pour couvrir la zone de mesure 2D, cela nécessite des énergies très forte impulsion ou une combinaison de susceptibilité élevée de troisième ordre, des concentrations élevées et les bruits faibles de travailler. Donc, ça dépend principalement sur les espèces moléculaires s’il s’agit d’une possibilité.
Dans une concurrence plus directe avec DFWM, il y a les autres techniques de spectroscopie quatre-vague-mixage-based : spectroscopie de Raman anti-Stokes cohérente (RAC), la spectroscopie induite par laser grille (Leclerc) et la spectroscopie de polarisation (PS). CARS est une technique bien établie pour mesurer la température et les principales espèces dans des environnements de combustion. Cependant, il manque la sensibilité pour détecter les espèces mineures, car la limite de détection est habituellement environ 1 %2. PS et DFWM ont déjà démontré qu’avoir une sensibilité similaire et les seuils de détection3; Toutefois, le rapport signal-bruit de DFWM s’est avéré augmenter par facteur 500 lorsqu’il est combiné avec conversion ascendante détection4, tandis que le PS a montré seulement une 64-fold augmentation5. Leclerc a l’avantage d’induire une grille, en utilisant la lumière infrarouge, mais à mesurer l’effet de la réfraction d’un laser de la sonde de cette grille, et la longueur d’onde de ce laser de la sonde peut être choisie librement6. La longueur d’onde du laser sonde peut, par conséquent, être dans la région visible, où les détecteurs à base de silicium rapides et faible bruit sont disponibles. Il s’agit de l’avantage même qui est obtenu en utilisant la conversion ascendante. Leclerc a l’inconvénient qu’il est très sensible à la collision2, ce qui signifie que la concentration des espèces de gaz majeur doit être connue pour la concentration précise ou des mesures de température avec Leclerc. Si cette question est vaincue, Leclerc a une sensibilité similaire à la fois DFWM et PS à3de la pression atmosphérique, mais où le Leclerc signal augmente avec l’augmentation de la pression, le signal de DFWM et PS augmente à une pression plus basse, ce qui signifie le plus technique dépendra de l’environnement de la pression.
Détection de conversion ascendante est la technique de la conversion d’un signal de grandes longueurs d’onde de courts à l’aide de la génération de fréquence somme. L’avantage de ceci est que les détecteurs de la gamme visible ou proche infrarouge ont moins de bruit et une sensibilité plus élevée que leurs homologues dans la région du mid-IR. Ceci a été étudié tout d’abord il y a cinq décennies7, mais a vu très peu d’attention et utiliser depuis, en raison de l’efficacité de la conversion faible. Toutefois, grâce aux progrès des techniques de production pour le lithium périodiquement polarisée niobate (PPLN) et autres matériaux non linéaires coefficients élevés, aussi bien que la disponibilité accrue des diodes laser de haute puissance (LDs), la technique a attiré augmenté attention dans la dernière décennie, avec des applications couvrant des domaines tels que la détection de photon unique mid-IR8,9,10,11, IR lidar12,13et hyperspectrale 14,15 et microscopie16en imagerie. Le principal avantage de la combinaison upconversion détection avec IR-DFWM, c’est que la condition de phase-match dispose d’une bande étroite acceptation angulaire et spectrales, qui discrimine fortement le fond thermique, ce qui permet la détection des signaux plus faibles.
Protocol
Le montage du détecteur upconversion est illustré dans la Figure 1; miroirs, lentilles ou autres optiques référencé dans le protocole sont identifiés ici ou sur le schéma de l’installation de IR-DFWM illustré à la Figure 2. La section protocole traite principalement en alignant la configuration optique utilisée pour cette méthode, et le processus peut être interrompu à tout moment en désactivant tous les équipements en cours d’exécution. Tous les miroirs sont ajustés manuellement. Le logiciel utilisé ici pour contrôler la caméra et LD a été livré avec le détecteur de conversion ascendante. L’utilisation du logiciel est décrit à la fin du protocole.
1. Conversion ascendante
- Placez le miroir de la fin de la cavité de l’alignement, UH, comme indiqué dans la Figure 1.
- Enlever le cristal PPLN de la montagne de cristal.
- Placer une carte IR sensibles (sensible à 1 064 nm) à la position A, voir la Figure 1.
- Tournez à l’angle du support cinématique tenant UH à la position extrême dans la direction horizontale et verticale. Ensuite, tournez sur la LD à environ 1/3 de la puissance maximale.
- Aligner la cavité de l’alignement comme suit.
- Changer l’angle d’UH +0,2 ° dans le sens horizontal.
- Balayer l’angle vertical de UH d’un extrême à l’autre, tout en regardant la carte IR pour une poutre de la cavité de l’alignement.
- Répétez les étapes 1.5.1 et 1.5.2 jusqu'à ce que la cavité laser.
- Lorsque la cavité de l’alignement est lasing, passer d’un réglage de l’angle de UH pour une puissance plus élevée et de réduire le lecteur LD actuel. Le LD est dimensionné pour conduire la cavité pleine, qui a des pertes beaucoup plus élevés que la cavité de l’alignement. Maintenez la puissance où le faisceau laissant UH est facilement visible avec la carte de l’IR, mais pas plus.
- Retirez la carte de l’IR.
- Ajuster l’angle de U2, pour le faisceau d’alignement est reflété dans le centre de U3 (Figure 1).
Remarque : Le rayon de la cavité de l’alignement doit frapper U2 dans le centre. - Ajuster l’angle de U3 donc la poutre continue de U4, U5 et U6 et est réfléchie de U6 U7.
- Le faisceau doit passer par le Mont PPLN à la hauteur du milieu des canaux du cristal PPLN, et il doit entrer le cristal perpendiculairement à la surface. U2 permet de corriger la hauteur et l’angle, tout en rajustant U3 pour maintenir le faisceau niveau et centré dans les trous de x et y.
- Enlever la fenêtre de germanium et placer la carte IR derrière U7, afin qu’un faisceau IR laissant la cavité sera sur la carte, et la fluorescence sera visible à la personne en alignant la cavité.
NOTE : Le faisceau d’alignement vont maintenant être en passant par le PPLN monter et les frappé U7. - Ajuster l’angle de U7, afin que la réflexion de U7 passe le long du faisceau d’alignement. Tout en ajustant l’angle de U7, regarder pour une poutre sur la carte de l’IR. Quand on voit un faisceau, ajuster l’angle de U7 à maximiser la production.
- Monter le PPLN dans la monture. Assurez-vous que le support est placé de sorte que le faisceau passe à travers l’un des canaux dans le cristal.
- Continuer avec l’étape (étape 1.13.1, 1.13.2 ou 1.13.3) correspondant à la situation actuelle.
- Si un faisceau IR est encore visible sortant U7, ajuster les U7 pour maximiser la production et passez à l’étape suivante.
- Si le faisceau IR sortie U7 n’est plus visible, augmenter la LD actuel à 1/3 de la puissance maximale et vérifiez si le faisceau IR peut être vu. Si un faisceau est visible, passez à l’étape 1.13.1 ; Sinon, passez à l’étape 1.13.3.
- Réduire la LD actuel au niveau précédent et trace la poutre guide pour voir si elle passe par le PPLN dans le centre de l’un des canaux. Si il n’est pas le cas, répétez l’étape 1.7, mais avec le PPLN dans la monture.
- Désactiver le LD, supprimer UH et fixer le filtre LP750 à la position B (voir Figure 1).
- Placez l’indicateur de puissance derrière U7 mais laisser un espace pour la vérification de la poutre avec une carte de l’IR. Ensuite, tournez sur la LD à pleine puissance.
- Si aucun signal n’est perçu sur le wattmètre, modifiez petit angle U7, tout en regardant un signal sur le wattmètre. Si un signal est détecté, passez à l’étape suivante ; Sinon, retournez à l’étape 1.1.
- Optimiser l’alignement de la cavité en ajustant les angles de U2 et U7 pour maximiser la puissance, tout en utilisant une carte de IR haute puissance pour vérifier que la cavité s’exécute dans le mode fondamental gaussien.
Remarque : Alors qu’il pourrait être possible d’obtenir une puissance plus élevée dans un mode d’ordre supérieur, il est essentiel pour l’efficacité de conversion que le laser s’exécute dans le mode fondamental. - Si la cavité ne s’exécute pas en mode fondamental, il est en marche, dans un mode d’ordre supérieur, où plusieurs lobes sont visibles sur la carte de l’IR. Tournez U7 de sorte que les lobes sont réunis plus proche sur la carte de l’IR, jusqu'à ce qu’elles fusionnent.
- Consigner la puissance de sortie à U7. Utilisez ceci et la transmission des U7 pour calculer le champ intracavité. Comparez cette valeur à la courbe d’étalonnage à la Figure 6.
- Lorsque la cavité a été optimisée, enlever le filtre LP750 et fixez à nouveau la fenêtre de germanium.
2. IR-DFWM alignement
Remarque : Voir la Figure 2 pour un diagramme de la configuration DFWM.
- Aligner le faisceau laser HeNe (la poutre guide) avec M3 et M4 pour frapper L1 dans le centre, passant horizontalement de M4 à L1.
- Insérer la plaque de wagons 1 à un angle de 45° à la poutre (sens vertical) et s’assurer que le rayon traverse, produisant deux faisceaux de sortie.
- Insérer la plaque 2 wagons couverts à un angle de 45° pour les poutres (horizontalement) et s’assurer que le rayon traverse, produisant quatre faisceaux de sortie. Ajuster les angles des plaques pour les poutres sont espacées comme les coins dans un carré.
- Ajustez la position de la L1 jusqu'à ce que les poutres sont équidistants autour du centre de la lentille.
- Laissez le faisceau signal, ce qui sera généré sur le chemin du faisceau bloqué par le bloc de faisceau, débloqué pour l’instant, donc il peut être utilisé pour aligner le reste de l’installation. Place de l’iris, elle bloque la pompe trois poutres mais permet le quatrième faisceau, le faisceau signal, de passer à travers.
- Aligner les L2 donc le faisceau signal est collimaté. Cela doit être fait en utilisant les focales à la longueur d’onde du laser pulsé et non par une inspection visuelle, comme les focales sera différentes pour la longueur d’onde de la poutre guide et le mid-IR.
- Placez les M5 et M6 afin que le faisceau de guide est centré sur la fenêtre de saisie du détecteur upconversion et perpendiculaire à la fenêtre de saisie.
- Mettre une longueur focale de L3 optique distance from the centre of la PPLN. Tenir compte de la réfraction de la fenêtre de germanium, le miroir de la cavité et le PPLN lui-même.
- Mettre en place le module de conversion ascendante et mettre en marche (voir chapitre 1).
- Supprimer la fenêtre de germanium du détecteur upconversion. Cela permettra un faisceau de 1064 quitter le module de conversion ascendante.
- Chevaucher le faisceau du laser HeNe et le faisceau de 1064 du détecteur upconversion en utilisant M6 pour déplacer le faisceau 1064 le faisceau signal afin qu’ils se chevauchent à L2 et en utilisant M5 pour déplacer la poutre guide sur la poutre de 1064 à L3. Alterner entre les deux miroirs jusqu'à ce que le faisceau de guide et le 1064 suivre le même chemin.
- Fixez à nouveau la fenêtre de germanium.
- Placer plusieurs filtres ND dans la marche des rayons, devant le détecteur de conversion ascendante. Prenez bien soin de ne jamais laisser un faisceau atténué du laser pulsé dans le détecteur upconversion, car l’énergie élevée endommagera probablement le détecteur.
- Allumer le laser pulsé et assurer que son exécution stable et à une énergie appropriée par impulsion.
- Chevaucher le laser pulsé et le faisceau de guide comme suit.
- Ajustez l’angle de la M1 jusqu'à ce que le laser pulsé chevauche le faisceau de guide sur le combinateur de faisceau (M2).
- Ajustez l’angle de la M2 afin que le laser pulsé est réfléchie dans la direction de propagation de la poutre guide.
- Vérifiez que les poutres sont chevauchent sur le combinateur de faisceau et à une distance de 1 m, 2 m et 3M.
- Trouver le point focal des poutres après L1. Placer le débit de gaz ou de la flamme à mesurer afin que le point de mesure est le point focal des poutres.
- Connectez le signal de déclenchement du laser pulsé au détecteur upconversion vers porte de temps la détection. Si le temps de retard et porte ne sont pas connu, commencez avec une longue durée de la barrière du temps et limiter quand le signal est trouvé.
- Rechercher le programme d’installation, en particulier les plaques de wagons couverts, pour réflexions errantes et s’assurer qu’ils sont bloqués.
- Optimiser l’alignement du faisceau signal dans le détecteur à conversion ascendante comme suit.
- Si un signal est visible sur le détecteur, ajustez les M5 et M6 pour optimiser le signal.
- Si aucun signal n’est visible sur le détecteur, réduire la ND filtrage par un ordre de grandeur. Répétez jusqu'à ce qu’un signal est vu.
- Si le signal du détecteur est saturé, augmenter la ND filtrage par un ordre de grandeur. Répétez jusqu'à ce que le signal n’est plus saturé.
- Passer par les étapes 2.19.1-2.19.3 jusqu'à ce que le signal n’est plus peut être augmenté qu’en ajustant les M5 et M6.
- Placez le bloc de faisceau pour qu’il bloque le faisceau signal, tel qu’indiqué dans la Figure 2. Ensuite, retirez les filtres ND.
- Ajustez la position du bloc faisceau à réduire toute dispersion (bruit de fond) vue sur le détecteur. Prenez grand soin de ne pas débloquer le faisceau accidentellement et exposer le détecteur pour diriger la lumière du laser pulsé.
- Préparer le débit de gaz ou une flamme à mesurer. Puis, analysez le laser pulsé sur toute la gamme de longueur d’onde d’intérêt, tout en enregistrant le signal du détecteur. Ceci va générer un spectre correspondant à la composition du gaz à la superposition des poutres.
3. logiciel de Diode laser
- Exécutez le programme LabVIEW AuroraOne control.vi.
- Cliquez sur le bouton activer TEC Laser sur la position on et cliquez sur le bouton de sécurité RW/TW l’hors.
- Régler le laser courant en entrant la valeur souhaitée en microwatts dans le domaine de TA valeur de consigne . Entrer une nouvelle valeur tandis que le laser est en cours d’exécution ajustera le courant.
- Cliquez sur le bouton activer TA sur la position on pour activer la diode laser actuel sur.
- Désactiver la diode laser en cliquant sur TA activer et TEC Laser permettent à la position off .
4. ID développement systèmes d’imagerie
- Exécutez le programme LabVIEW UpconversionControl.vi.
- Sous l’onglet paramètres, réglez la vitesse d’obturation à 8 µs en tapant la valeur dans le champ intitulé Exposition durée (en secondes).
- Sous l’onglet paramètres, définissez le type d’obturation à Global dans le champ ID obturateur.
- Sous l’onglet DBG, réglez le type de déclencheur à Lo_Hi dans le champ ID de déclenchement .
- Sous l’onglet DBG2, réglez le délai de déclenchement dans le champ ID Trigger Delay (µs). Cela dépendra du délai entre l’impulsion de déclenchement et de l’impulsion laser du laser.
- Sous l’onglet paramètres, définissez le off set x et off set y à 480 pixels et la largeur et la hauteur de 96 pixels.
- Sous l’onglet paramètres, définissez la cadence à 0 dans le champ de Framerate ; permet de régler l’appareil photo pour prendre une image par le signal de déclenchement.
- Mettez l’appareil photo en appuyant sur le bouton Start Acquisition .
- Lorsqu’un signal entre le détecteur de conversion ascendante, le signal sera visible comme une lueur d’espoir au milieu de l’image affichée sur la droite dans le programme LabVIEW. Utilisez la fonction Rect dans la barre de gauche à côté de l’image pour dessiner un rectangle de 6 x 6 pixels autour du signal.
- Découvre l’intensité moyenne de pixels sélectionnés en fonction du temps sous l’onglet historique . Si nécessaire, le graphique peut être effacé en ouvrant puis effacer.
- Appuyez sur le bouton de l’Acquisition d’arrêter pour arrêter l’acquisition de nouvelles images de la caméra.
- Exporter les données en cliquant droit sur la courbe d’intensité, sélectionnez copier les données dans le presse-papierset collez les données dans un fichier .txt .
- Éteignez l’appareil photo et le programme en appuyant sur le bouton fermer .
Representative Results
La figure 3 montre le signal provenant de différentes concentrations de HCN dans N2, moyennée sur trois balayages pour chaque concentration. Le mélange a été préparé en mélangeant 300 ppm HCN N2 avec l’aide de2 N pure mass flow contrôleurs et chauffant à 843 K. Le pic central est la ligne P(20) de la bande vibrationnelle de ν1 de HCN. L’encart dans la Figure 3 montre la valeur de crête du signal à partir de cette ligne pour chaque concentration, avec un polynôme du secon degré s’adapter. La dépendance de la concentration du signal peut être décrit par S = ax2 + b, où S est le signal et a et b sont des constantes17d’ajustement. Mesures de la concentration absolue dans une flamme nécessitent une mesure d’étalonnage comme indiqué ici, à une température connue, afin de déterminer la constante a. La température dans le volume de mesure dans la flamme doit également être mesurée comme la constante un augmentent avec la température ; un examen approfondi de cela a déjà été publié17. La période de bureaux de vote utilisée pour cette mesure était de 21,5 µm, avec une température de cristal de 104,5 ° C.
La figure 4 présente des données brutes d’une flamme pré-mélangée. Il montre cinq analyses consécutives sur la gamme 3229.5-3232 cm-1, chaque balayage prenant environ 65 s. Ces trois groupes de la couverture de conduites d’eau, utilisés pour les mesures de température. Idéalement, lorsque vous travaillez avec un système stable, chaque balayage pour le même intervalle devrait être identique, comme la concentration, la pression et la température devraient être inchangées. L’intensité des changements ici vu lignes radicalement de balayage à balayage, qui est parce que le mode impulsion laser et l’énergie n’est pas stable de balayage à balayage. Tels résultats sont inutilisables, à moins que l’énergie d’impulsion laser a été enregistré et peut être utilisé pour trier les mesures dont l’énergie d’impulsion laser suffisante du reste. La période de bureaux de vote utilisée pour cette mesure était de 21,5 µm, avec une température de cristal de 123 ° C.
Dans la Figure 4, la dispersion de l’arrière-plan ne voit pas parce qu’un filtre ND2 a été utilisé pour réduire le signal, pour éviter de saturer le détecteur. Pour des signaux plus faibles, il a été constaté que la diffusion de fond est l’ordre de 5 pJ par impulsion, ce qui correspond au signal provenant de la ligne P(20) de la bande vibrationnelle de ν1 100 ppm HCN à température ambiante.
Figure 1: schéma du détecteur upconversion. U1-U7 et UH sont des miroirs, hautement réfléchissants (HR)-enduit de 1 064 nm. Tous les miroirs sont planes, à l’exception de U3, qui a un 200 mm rayon de courbure. U1-U5 de miroirs ont été faites pour être transmissif à la longueur d’onde de la diode laser, pour s’assurer que la lumière de la LD n’atteint pas le détecteur. U6 est transmissif pour le signal upconvertis, 650-1 050 nm. U7 est transmissif pour le signal infrarouge. HEU c’est 95 % réfléchissant à 1 064 nm et 5 % transmissif. La longueur de chemin d’accès entre U1 et U3 est 156 mm et la longueur de chemin d’accès de U3 à U7 est 202 mm. L4 et L5 sont des lentilles achromatiques 60 mm et des longueurs de focale de 75 mm, respectivement. Les deux sont transparentes pour 650-1 050 nm. La caméra utilisée comme détecteur est placée à 75 mm de L5. Le domaine de la cavité est polarisé verticalement. Le PPLN utilisé ici a poling périodes de 21,0 µm, 21,5 µm, 22,0 µm, 22,5 mm et 23,0 µm, et la longueur du cristal est de 20 mm. Le visible et le proche infrarouge détecteur utilisé est un appareil d’UI-5240CP-NIR-GL de IDS Imaging Systems de développement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2: schéma de l’installation DFWM. M1 est un diélectrique miroir réfléchissant (HR) à la longueur d’onde du laser pulsé. M2 est un miroir diélectrique enduit pour être HR à la longueur d’onde du laser pulsé et transmissif pour le faisceau de guide HeNe. M3-M6 sont protégés des miroirs or. B.C.1 et B.C.2 sont des wagons couverts plaques 1 et 2. L1 est une lentille de2 CaF de focale de 500 mm et un diamètre 5,1 cm. L2 est qu'une lentille de2 CaF de focale de 500 mm avec un diamètre de 2,54 cm. L3 est un objectif 100 mm longueur focale CaF2 . Le laser pulsé est polarisée verticalement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Signal de concentrations différentes de HCN dans N2. Le pic central est la ligne P(20) de la bande vibrationnelle de ν1 de HCN. L’encart montre le signal de crête de chaque concentration (marqueurs de diamant), avec un polynôme de second ordre s’adapter. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Cinq analyses consécutives ca. 65 s en durée par numérisation, dans une flamme pré-mélangée. Le laser a été analysé sur la plage de 3229.5-3232 cm-1. Les sommets vus ici sont le signal provenant de plusieurs collections de lignes de transition H2O. Le signal a été réduit avec un ND1 et un filtre ND0.6, pour éviter de saturer le détecteur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5: plaque de wagons couverts A vu du côté. C’est un bloc de matériau transparent. Sur le côté de l’entrée, il est recouvert d’un revêtement antireflet sur la moitié de la surface. Le faisceau laser entre ici et atteint le côté sortie, où la moitié de la surface est enduite pour une transmission de 50 %. La lumière réfléchie à l’intérieur de la plaque est alors réfractée à la partie de la face d’entrée revêtue de haute réflexion et se reflète à travers la moitié supérieure de la face de sortie. Cela divise un faisceau en deux faisceaux parallèles. Le même effet peut être obtenu avec un séparateur de faisceau et un miroir, mais un séparateur de faisceau aurait une réflexion de la surface postérieure, ce qui pourrait augmenter le bruit de fond. La plaque de wagons couverts n’exige aussi, aucun alignement pour les deux faisceaux produites soient parallèles. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6: Intracavité puissance en fonction de la diode laser de pompe actuelle pour le module de conversion ascendante. Chaque point correspond à la moyenne de la puissance mesurée de trois alignements séparées de la cavité et les barres d’erreur indiquent l’écart entre les alignements distincts. La déviation du comportement idéal laser est causée par des effets thermiques dans le cristal de laser et le cristal PPLN. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Discussion
La précision de l’alignement du faisceau laser pulsé est essentielle à la sensibilité de la méthode. Il faut en particulier s’assurer que les poutres sont séparés par une distance égale après les plaques de wagons couverts et que les poutres sont également espacées autour du centre de L1. Écart par rapport à cela conduira à une baisse significative dans l’intensité du signal et, par conséquent, la sensibilité. De même, il faut que la cavité de module de conversion ascendante s’exécute dans le mode fondamental, et que le faisceau signal est aligné pour un recouvrement optimal avec la pompe à conversion ascendante. Le signal peut facilement être réduit par un ou deux ordres de grandeur si la cavité upconversion s’exécute dans un mode incorrect ou le chevauchement de faisceau de signal avec le champ de la cavité n’est pas optimale. Cela inclut les plaçant L3 avec une précision millimétrique de sorte que le point focal de signal faisceau se trouve au milieu du cristal PPLN. Avec un recouvrement optimal et 80 W de puissance de la cavité, un rendement quantique de 6 % de la scène de la SFG est possible. Avec le détecteur et la longueur d’onde utilisée ici, l’efficacité de la détection totale est de 3 %. La puissance d’intracavité maximale pouvant être atteinte est de 120 W, mais 80 W peut être réalisé de manière fiable. Le rendement de conversion est proportionnel à la puissance intracavité, alors les signaux enregistrés avec une puissance différente intracavité peuvent être comparées, si la puissance intracavité est enregistrée.
Le principal facteur limitant pour la sensibilité de cette méthode est la diffusion de fond, qui se noie des signaux faibles. Pour limiter cette diffusion, il est essentiel que les optiques sont maintenus sans poussière, particulièrement objectif L1. Également veiller que la position du bloc faisceau minimise le bruit de fond. Le bloc de la poutre doit être placé sur un xy-stade afin qu’il puisse être déplacé de manière contrôlée en horizontal et vertical plan, perpendiculaire à la direction des faisceaux.
La numérisation discuté ici est faite avec le PPLN à une température constante. Le rendement de conversion est proportionnel à la sinc (ΔkL/2π)2, où Δk est le déphasage et L est la longueur du cristal. La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de cette fonction est la largeur de bande du détecteur à une température constante de cristal PPLN. La FWHM de cette fonction change avec la température de cristal et de la longueur d’onde, mais est généralement de l’ordre de 5 cm-1 dans le mid-IR, pour un cristal de long 20 mm. L’exception est près de 4 200 nm, où la largeur augmente grandement18.
Aucune mise à l’échelle optique n’ont été inclus dans le schéma de configuration dans la Figure 2, parce qu’il y a un certain nombre de questions à considérer avant de décider quoi, s’il en est, l’échelle est nécessaire. Pour la configuration décrite ici, le faisceau laser pulsé est collimaté à un diamètre de faisceau de 2 mm environ en arrivant sur L1. Ce qui donne une taille de faisceau au point focal d’environ 400 µm, avec une longueur d’onde de 3 µm. Lorsque vous implémentez cette technique, il pourrait être souhaitable de modifier la distance focale de la L1, soit parce que plus d’espace est nécessaire entre la L1 et le point focal pour des raisons pratiques, ou pour réduire le volume de mesure en augmentant les angles de la convergence, qui peuvent être fait en utilisant une focale plus courte. Dans ce cas, la taille de faisceau au point focal doit être maintenue à environ 400 µm et le faisceau collimaté devrait être mis à l’échelle pour correspondre. Il convient toutefois de tenir compte du fait que l’augmentation du diamètre de faisceau sans augmenter l’espacement entre les poutres augmentera la diffusion par les bords de bloc de faisceau. La résolution spatiale est donnée par la superposition des faisceaux pompe. Pour la configuration décrite ici, le chevauchement est de 6 mm de long, donc le volume de mesure est un cylindre de 6 mm de long, avec un rayon de 0,4 mm.
Pour atteindre la quasi-phases correspondant dans le cristal PPLN, le signal IR moyen tant le champ endocavitaire de la cavité de conversion ascendante doivent être extraordinairement polarisées dans le cristal PPLN. La cavité de conversion ascendante doit être construite afin que la polarisation du champ intracavité est automatiquement droite. Si le laser IR moyen ne correspond pas déjà cela, un waveplate peut être inséré à la laser IR moyen de sortie de tourner la polarisation.
IR-DFWM nécessite relativement haute énergie impulsions, 1-4 mJ, combinée à une étroite assez linewidth laser pour résoudre les lignes moléculaires, qui sont de l’ordre de 0,1 cm-1. Lasers qui correspondent à ces critères généralement ont les taux de redoublement faible, et que l’acquisition de données avec DFWM est généralement faite par la longueur d’onde du laser à balayage, ce qui limite vitesse de mesures. Cela signifie que la méthode est plus facilement appliquée aux mesures où le sujet ne change pas au fil du temps, mais il a également été appliqué aux mesures résolues dans le temps,17. Une autre limitation est que, en raison de la sensibilité à la lumière diffusée, particules dans ou près du volume de mesure vont créer des événements de diffusion qui noient complètement le signal17. La condition de match de la phase du processus de conversion ascendante est spectralement étroite, qui aide à éliminer le bruit émis par le rayonnement thermique, mais il rend balayages sur une gamme large de longueur d’onde plus longues que la température PPLN doit être réglée pour garder le longueur d’onde signal correspondait à la phase.
Les utilisations futures de IR-DFWM sont prévues pour la détection de NH3 en flammes, ou de poursuivre le travail avec HCN dans des environnements plus pratiques. Le moyen le plus évident pour l’amélioration de la méthode consiste à réduire encore davantage le fond de la lumière diffusée. Cela pourrait se faire à l’aide de filtrage spatial du faisceau signal après le signal est recueilli par L2.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les fonds reçus par les auteurs dans le cadre de l’Horizon 2020 par l’Union européenne sont hautement appréciée. Ce travail a été mené dans le cadre du réseau de formation innovante technologie moyenne Marie Curie [H2020-ACEM-ITN-2014-642661].
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nd:YAG laser, pulsed | Spectra Physics | Quantarau Pro-290-10 | Quantity: 1 (For pumping the mid-IR laser) |
| Nd:YAG laser, injection seeding system | Spectra Physics | 6350 | Quantity: 1 |
| NIR Dye laser - OPA system | Sirah | OPANIR | Quantity: 1 |
| HeNe laser | Thorlabs | HNL100LB | Quantity: 1 |
| Dichroic mirror | LASEROPTIK | NA | Quantity: 1, custom order: HR for the mid-IR, transparent for 632 nm |
| Protected Gold Mirrors | Thorlabs | PF10-03-M01 | Quantity: 5 |
| BoxCars Plate | LASEROPTIK | NA | Quantity: 2, Custom order |
| xy-stage | Thorlabs | DTS25/M | Quantity: 2 |
| 500 mm focal length CaF2 lens, Ø2'' | Eksmaoptics | 110-5523E | Quantity: 1 |
| 500 mm focal length CaF2 lens, Ø1'' | Thorlabs | LA5464 | Quantity: 1 |
| 100 mm focal length CaF2 lens, Ø1'' | Thorlabs | LA5817 | Quantity: 1 |
| Iris, Ø50 mm | Thorlabs | ID50/M | Quantity: 1 |
| ND1 IR filter (ZnSe) | Thorlabs | NDIR10B | Quantity: 1 |
| ND2 IR filter (ZnSe) | Thorlabs | NDIR20B | Quantity: 1 |
| ND3 IR filter (ZnSe) | Thorlabs | NDIR30B | Quantity: 2 |
| Upconversion Detector | NLIR | NA (closest equivalent: U3055 3.0-5.5µm) | Quantity: 1, Custom order |
| VIS/NIR Detector Card | Thorlabs | VRC2 | Quantity: 1, (low intensity) |
| NIR Detector Card | Thorlabs | VRC4 | Quantity: 1, (high intensity) |
| MIR Detector Card | Thorlabs | VRC6S | Quantity: 1 |
| Thermal Power Sensor Head | Thorlabs | S302C | Quantity: 1 |
| Power meter console | Thorlabs | PM100D | Quantity: 1 |
References
- Sahlberg, A. -L., Zhou, J., Alden, M., Li, Z. Investigation of ro-vibrational spectra of small hydrocarbons at elevated temperatures using infrared degenerate four-wave mixing. Journal of Raman Spectroscopy. 47 (9), 1130-1139 (2016).
- Kiefer, J., Ewart, P. Laser diagnostics and minor species detection in combustion using resonant four-wave mixing. Progress in Energy and Combustion Science. 37 (5), 525-564 (2011).
- Sahlberg, A. -L. Non-linear mid-infrared laser techniques for combustion diagnostics. Lund University. , Lund University. Lund, Sweden. Division of Combustion Physics, Department of Physics (2016).
- Høgstedt, L., et al. Low-noise mid-IR upconversion detector for improved IR-degenerate four-wave mixing gas sensing. Optics Letters. 39 (18), 5321 (2014).
- Pedersen, R. L., Hot, D., Li, Z. Comparison of an InSb Detector and Upconversion Detector for Infrared Polarization Spectroscopy. Applied Spectroscopy. 72 (5), 793-797 (2018).
- Sahlberg, A. -L., Kiefer, J., Aldén, M., Li, Z. Mid-Infrared Pumped Laser-Induced Thermal Grating Spectroscopy for Detection of Acetylene in the Visible Spectral Range. Applied Spectroscopy. 70 (6), 1034-1043 (2016).
- Midwinter, J. E. Image conversion from 1.6 µ to the visible in lithium niobate. Applied Physics Letters. 12 (3), 68 (1968).
- Dam, J., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Tidemand-Lichtenberg, P., Pedersen, C. Room-temperature mid-infrared single-photon spectral imaging. Nature Photonics. 6 (11), 788-793 (2012).
- Pelc, J. S., et al. Long-wavelength-pumped upconversion single-photon detector at 1550 nm: performance and noise analysis. Optics Express. 19 (22), 21445-21456 (2011).
- Mancinelli, M., et al. Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature. Nature Communications. 8 (2), 1-8 (2017).
- Sua, Y. M., Fan, H., Shahverdi, A., Chen, J. -Y., Huang, Y. -P. Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons with 3.2 um Wavelength Spacing. Scientific Reports. 7 (1), 1-10 (2017).
- Meng, L., et al. Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4. Optics Express. 26 (4), 3850-3860 (2018).
- Xia, H., et al. Long-range micro-pulse aerosol lidar at 1.5. µm with an upconversion single-photon detector. Optics Letters. 40 (7), 1579-1582 (2015).
- Junaid, S., et al. Mid-infrared upconversion based hyperspectral imaging. Optics Express. 26 (3), 2203-2211 (2018).
- Kehlet, L. M., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Pedersen, C.
- Hermes, M., et al. Mid-IR hyperspectral imaging for label-free histopathology and cytology. Journal of Optics. 20 (2), 023002 (2018).
- Hot, D., et al. Spatially and temporally resolved IR-DFWM measurement of HCN released from gasification of biomass pellets. Proceedings of the Combustion Institute. , In Press (2018).
- Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P.
