A raggi infrarossi degenerato quattro-onda miscelazione con rilevamento di Upconversion per sensoristica quantitativa

Riepilogo

Qui, presentiamo un protocollo per eseguire spettroscopia gas sensibili, risolte spazialmente nella regione metà di-infrarossa, usando degenerato quattro-onda miscelazione combinata con upconversion rilevamento.

Abstract

Vi presentiamo un protocollo per l'esecuzione di spettroscopia di gas utilizzando infrarossi degenerato quattro-onda di miscelazione (IR-DFWM), per la rilevazione quantitativa di specie di gas nella gamma ppm--single-per cento. Lo scopo principale del metodo è la rilevazione risolta spazialmente di basso-concentrazione specie, che non hanno nessuna transizione nella gamma spettrale visibile o vicino-IR che poteva essere utilizzata per il rilevamento. IR-DFWM è un metodo non invasivo, che è un grande vantaggio nella ricerca di combustione, come l'inserimento di una sonda in una fiamma può cambiare drasticamente. IR-DFWM è combinato con upconversion rilevamento. Questo schema di rilevamento utilizza somma-frequenza generazione per spostare il segnale IR-DFWM da mid-IR nella regione vicino-IR, per sfruttare le caratteristiche di rumore superiore di rivelatori basati su silicio. Questo processo respinge anche la maggior parte della radiazione di fondo termico. Il focus del protocollo presentato qui è il corretto allineamento dell'ottica IR-DFWM e su come allineare un sistema di rilevamento di upconversion intracavitaria.

Introduzione

IR-DFWM fornisce la capacità di misurare le concentrazioni di specie attive IR fino a ppm livello¹, con risoluzione spaziale. IR-DFWM presenta diversi vantaggi che rendono questa tecnica attraente per la ricerca di combustione. Fiamme possono essere cambiate drasticamente con l'inserimento di sonde, ma IR-DFWM è una musica. Ha una risoluzione spaziale, così le concentrazioni della specie in diversi punti la struttura della fiamma possono essere misurate. Esso fornisce un segnale coerente, che può essere isolato dall'emissione termica della fiamma. Inoltre, DFWM è meno sensibile alla fluorescenza di ambiente che, per esempio, indotta da laser di collisione (LIF), che può essere difficile da determinare in una fiamma. La tecnica fornisce anche accesso alle specie molecolari che sono IR attivo, ma le transizioni di visibile o vicino mancanza che possono essere utilizzate per misurare la loro con altre tecniche.

Mentre DFWM ha una serie di vantaggi, tecniche alternative potrebbero essere preferibile se uno o più di questi vantaggi non sono necessari. Se non è richiesta la risoluzione spaziale, tecniche basate su assorbimento sarà sia più semplice e più preciso. Se le specie molecolari in questione hanno transizioni nella regione visibile o vicino-IR, LIF potrebbe essere preferibile, LIF possono fornire informazioni risolte spazialmente da un aereo, piuttosto che a un solo punto. Sotto le giuste condizioni, metodi non lineari, quali DFWM e PS, utilizzabile anche per misurazioni 2D single shot². Il segnale di questi metodi non lineari è proporzionale all'intensità del fascio sonda a cubetti, e come il fascio di pompa deve essere espanso per coprire l'area della misurazione 2D, questo richiede energie molto elevato impulso o una combinazione di elevata suscettibilità di terzo ordine, alte concentrazioni e rumore di fondo basso per lavorare. Pertanto, esso dipende principalmente le specie molecolari se questa è una possibilità.

In una più diretta concorrenza con DFWM, ci sono le altre tecniche spettroscopiche quattro-onda-miscelazione-based: spettroscopia di Raman anti-Stokes coerente (automobili), la spettroscopia indotta da laser grata (Bulbocavernoso) e spettroscopia di polarizzazione (PS). CARS è una tecnica affermata per la misurazione della temperatura e le principali specie in ambienti di combustione. Tuttavia, manca la sensibilità per rilevare le specie minori, come il limite di rilevamento è solitamente circa 1%². PS e DFWM precedentemente sono state indicate per avere simili sensibilità e limiti di rilevamento³; Tuttavia, il rapporto segnale-rumore di DFWM ha dimostrato di aumentare del fattore 500 quando combinato con upconversion rilevamento⁴, mentre PS ha mostrato solo un 64-fold aumento⁵. Bulbocavernoso ha il vantaggio di indurre una grata, utilizzando luce mid-IR, ma misura l'effetto di rifrazione di un laser di sonda di questo reticolo, e la lunghezza d'onda del laser sonda possa essere scelti liberamente⁶. La lunghezza d'onda del laser sonda può, pertanto, essere nella regione visibile, dove sono disponibili rivelatori basati su silicio veloce, a basso rumore. Questo è lo stesso vantaggio che si ottiene utilizzando upconversion. Bulbocavernoso hanno lo svantaggio che è molto sensibile a collisione², che significa che la concentrazione di gas principali specie deve essere conosciuta per misure di temperatura con Bulbocavernoso o precisa concentrazione. Se tale problema sia stato superato, Bulbocavernoso hanno una sensibilità simile sia DFWM e PS a pressione atmosferica³, ma dove il Bulbocavernoso segnale aumenta con l'aumento della pressione, aumenta il segnale da DFWM e PS a pressioni inferiori, che significa il preferito tecnica dipenderà l'ambiente di pressione.

Rilevamento di upconversion è la tecnica di conversione di un segnale da lunghezze d'onda lunghe a quelli più brevi tramite generazione di somma-frequenza. Il vantaggio di questo è che i rivelatori nella gamma visibile o infrarosso hanno minor rumore e una maggiore sensibilità rispetto ai loro omologhi della regione mid-IR. Questo è stato prima studiato cinque decenni fa⁷, ma ha visto ben poca attenzione e utilizzare da allora, dovuto le efficienze di conversione basso. Tuttavia, con gli avanzamenti nelle tecniche di produzione per periodicamente palificato litio niobato (PPLN) e altri materiali con elevati coefficienti non lineari, nonché che la maggiore disponibilità di diodi laser ad alta potenza (LDs), la tecnica ha attirato aumentato attenzione nell'ultimo decennio, con applicazioni in settori quali la rilevazione del singolo-fotone mid-IR^8,9,10,11, IR lidar^12,13e iperspettrali formazione immagine di microscopia e^{15 14,16}. Il principale vantaggio di combinare upconversion rilevamento con IR-DFWM è che la condizione di fase-partita ha una banda stretta accettazione angolare e spettrale, che discrimina pesantemente contro lo sfondo termico, consentendo la rilevazione di segnali più deboli.

Protocollo

L'installazione del rivelatore upconversion è mostrato in Figura 1; specchi, lenti o altre ottiche a cui fa riferimento il protocollo sono identificati qui o nel diagramma dell'installazione IR-DFWM illustrato nella Figura 2. La sezione di protocollo si occupa principalmente la configurazione ottica utilizzata per questo metodo di allineamento, e il processo può essere sospeso in qualunque momento disattivando tutte le apparecchiature in esecuzione. Tutti gli specchi sono regolati manualmente. Il software utilizzato qui per controllare la fotocamera e LD è stato consegnato insieme con il rivelatore di upconversion. L'uso del software è descritto alla fine del protocollo.

1. Upconversion

1. Posizionare lo specchio fine della cavità di allineamento, UH, come indicato nella Figura 1.
2. Rimuovere il cristallo PPLN dal Monte Cristallo.
3. Inserire una scheda di IR-sensibili (sensibile a 1.064 nm) in posizione A, Vedi Figura 1.
4. Girare l'angolo della cinematica montare holding UH per la posizione estrema in direzione orizzontale e verticale. Quindi, accendere il LD a circa 1/3 della potenza massima.
5. Allineare la cavità di allineamento come indicato di seguito.
   1. Modificare l'angolo di UH +0,2 ° in direzione orizzontale.
   2. Spazzare l'angolo verticale di UH da un estremo a altro, mentre si guarda la scheda IR per una trave dalla cavità di allineamento.
   3. Ripetere i passaggi 1.5.1 e 1.5.2 la cavità inizia lasing.
   4. Quando la cavità di allineamento è lasing, passare dalla regolazione dell'angolo di UH per una maggiore potenza riducendo la corrente di comando LD. La LD è dimensionata per guidare la cavità piena, che ha molto più alte perdite rispetto alla cavità di allineamento. Mantenere la potenza dove il fascio lasciando UH è facilmente visibile con la scheda IR ma non di più.
6. Rimuovere la scheda IR.
7. Regolare l'angolo di U2, così il fascio di allineamento si riflette nel centro di U3 (Figura 1).
   Nota: Il fascio dalla cavità allineamento dovrebbe colpire U2 nel centro.
8. Regolare l'angolo di U3 così il raggio continua a U4, U5 e U6 e viene riflessa dalla U6 alla U7.
9. Il fascio deve passare attraverso il Monte PPLN all'altezza della metà dei canali del cristallo PPLN, e deve entrare il cristallo perpendicolare alla superficie. Utilizzare U2 per correggere l'altezza e l'angolo, mentre la regolazione U3 per mantenere il fascio livello e centrato attraverso i fori x e y.
10. Rimuovere la finestra in germanio e inserire la scheda IR dietro U7, in modo che un fascio IR lasciando la cavità colpirà la carta, e la fluorescenza sarà visibile alla persona allineando la cavità.
    Nota: Il fascio di allineamento ora passerà attraverso il PPLN montare e colpire U7.
11. Regolare l'angolo di U7, affinché la riflessione da U7 passa indietro lungo il percorso del fascio di allineamento. Durante la regolazione dell'angolo di U7, guardare per un fascio sulla scheda IR. Quando si vede un fascio, regolare l'angolo di U7 per massimizzare l'output.
12. Montare il PPLN sul Monte. Assicurarsi che il supporto è posizionato in modo che il fascio passa attraverso uno dei canali nel cristallo.
13. Continuare con il sottopassaggio (passo 1.13.1, 1.13.2 o 1.13.3) corrispondenti alla situazione attuale.
    1. Se un fascio IR è ancora visibile uscendo U7, regolare U7 per massimizzare l'output e continuare con il passaggio successivo.
    2. Se il raggio IR uscita U7 non è più visibile, aumentare il LD corrente a 1/3 della potenza massima e controllare se il raggio IR può essere visto. Se un raggio è visibile, andare al passaggio 1.13.1; in caso contrario, andare al passaggio 1.13.3.
    3. Ridurre il LD corrente al livello precedente e traccia il fascio guida per vedere se passa attraverso il PPLN al centro di uno dei canali. Se così non fosse, ripetere dal passo 1.7, ma con il PPLN sul Monte.
14. Spegnere il LD, rimuovere UH e collegare il filtro LP750 alla posizione B (Vedi Figura 1).
15. Posizionare il misuratore di potenza dietro U7, ma lasciare spazio per il controllo del fascio con una scheda di IR. Quindi, accendere il LD a piena potenza.
16. Se nessun segnale è visto sul misuratore, è possibile apportare modifiche di angolo piccolo al U7, mentre si guarda per un segnale il misuratore di potenza. Se viene rilevato un segnale, continuare con il passaggio successivo; in caso contrario, tornare al punto 1.1.
17. Ottimizzare l'allineamento di cavità regolando gli angoli di U2 e U7 per massimizzare la potenza, mentre usando una carta di IR ad alta potenza per controllare che la cavità è in esecuzione in modalità gaussiana fondamentali.
    Nota: Mentre potrebbe essere possibile ottenere maggiore potenza in una modalità di ordine superiore, è essenziale per l'efficienza di conversione che il laser è in esecuzione in modo fondamentale.
18. Se la cavità non è in esecuzione in modo fondamentale, esso verrà eseguito in una modalità di ordine superiore dove sono visibili sulla scheda IR più lobi. Girare U7 in modo che i lobi sono riuniti più vicino sulla scheda IR, fino a confondersi.
19. Registrare l'uscita di potenza a U7. Utilizzare questo e la trasmissione della U7 per calcolare il campo intracavitaria. Confrontare questo valore con la curva di taratura nella Figura 6.
20. Quando la cavità è stata ottimizzata, rimuovere il filtro LP750 e ricollegare la finestra in germanio.

2. IR-DFWM allineamento

Nota: Vedere la Figura 2 per un diagramma dell'installazione DFWM.

1. Allineare il fascio laser HeNe (il fascio di guida) con M3 e M4 per colpire L1 nel centro, andando in senso orizzontale da M4 a L1.
2. Inserire la piastra BOXCARS 1 verso il fascio (direzione verticale) con un'angolazione di 45° e garantire che il fascio passa attraverso, producendo due travi di uscita.
3. Inserire la piastra di BOXCARS 2 verso le travi (direzione orizzontale) con un'angolazione di 45° e garantire che il fascio passa attraverso, producendo quattro travi di uscita. Regolare gli angoli delle piastre in modo che le travi sono distanziate come gli angoli di un quadrato.
4. Regolare la posizione della L1 fino a quando le travi sono equidistanti intorno al centro della lente.
5. Lasciare il fascio di segnale, che verrà generato lungo il percorso del fascio bloccato dal blocco di fascio, sbloccato per ora, quindi può essere utilizzato per allineare il resto dell'installazione. Posto l'iride pertanto blocca la pompa tre travi ma permette il quarto fascio, il fascio di segnale, di passare attraverso.
6. Allineare L2 in modo che il fascio di segnale è collimato. Questo deve essere fatto utilizzando le focali alla lunghezza d'onda del laser pulsato e non mediante ispezione visiva, come le lunghezze focali sarà diverse per la lunghezza d'onda del fascio guida e metà-IR.
7. Posizionare la M5 e M6 affinché il fascio di guida è centrato sulla finestra di input del rilevatore di upconversion e perpendicolare alla finestra di input.
8. Posto L3 una lunghezza focale ottici di distanza dal centro della PPLN. Prendere in considerazione la rifrazione della finestra in germanio, lo specchio di cavità e la PPLN stesso.
9. Impostare il modulo di upconversion e accenderlo (vedere capitolo 1).
10. Rimuovere la finestra in germanio del rivelatore upconversion. Questo permetterà un fascio 1064 uscire dal modulo di upconversion.
11. Sovrapporre il fascio laser HeNe e il fascio 1064 del rivelatore di upconversion utilizzando M6 per spostare il fascio 1064 sul raggio segnale in modo che si sovrappongano a L2 e utilizzando M5 per spostare il fascio di guida sul fascio 1064 a L3. Si alternano tra i due specchi fino a quando il fascio di guida e il 1064 seguire lo stesso percorso.
12. Ricollegare la finestra in germanio.
13. Posto diversi filtri ND nel percorso ottico, fronte al rilevatore di upconversion. Prestare molta attenzione a non lasciare mai che un fascio di luce mischiata dal laser pulsato nel rivelatore upconversion, dato l'alta energia probabilmente danneggerà il rivelatore.
14. Accendere il laser pulsato e assicurarsi che sia in esecuzione stabile e a un'adeguata energia per impulso.
15. Sovrapporre il laser pulsato e il fascio di guida come segue.
    1. Regolare l'angolo di M1 fino a quando il laser pulsato si sovrappone il fascio di guida presso il combinatore di fascio (M2).
    2. Regolare l'angolo del M2 in modo che il laser pulsato è riflessa nella direzione di propagazione del fascio guida.
    3. Verifica che le travi sono sovrapposte il combinatore di raggio ed a distanze di 1 m, 2 m e 3 m.
16. Trovare il punto focale delle travi dopo L1. Posizionare il flusso del gas o la fiamma deve essere misurata in modo che il punto di misura è il punto focale delle travi.
17. Collegare il segnale di trigger dal laser pulsata al rivelatore upconversion a porta il rilevamento del tempo. Se il tempo di ritardo e cancello di tempo non è noti, iniziare con una lunga durata del cancello tempo e restringere il campo quando viene trovato il segnale.
18. Cercare il setup, soprattutto le piastre BOXCARS, per riflessi errante e verificare che sono bloccati.
19. Ottimizzare l'allineamento del fascio segnale del rilevatore di upconversion come segue.
    1. Se un segnale è visibile sul rivelatore, regolare M5 e M6 per massimizzare il segnale.
    2. Se non c'è alcun segnale visibile sul rivelatore, ridurre il ND di filtraggio di un ordine di grandezza. Ripetere fino a quando un segnale è visibile.
    3. Se il segnale del rivelatore è saturo, aumentare il ND di filtraggio di un ordine di grandezza. Ripetere fino a quando il segnale non è saturo.
    4. Passare attraverso passaggi 2.19.1-2.19.3 fino a quando il segnale non può essere aumentato mediante regolazione M5 e M6.
20. Posizionare il blocco di fascio in modo che blocca il raggio del segnale, come indicato nella Figura 2. Quindi, rimuovere i filtri ND.
21. Regolare la posizione del blocco di larghezza per ridurre qualsiasi dispersione (rumore di fondo) visto sul rivelatore. Fate molta attenzione non per sbloccare il fascio accidentalmente ed esporre il rilevatore per dirigere la luce del laser pulsato.
22. Preparare il flusso del gas o la fiamma deve essere misurata. Quindi, scansione laser pulsato su tutta la gamma di lunghezza d'onda di interesse, mentre si registra il segnale dal rilevatore. Questo genererà un spettro la composizione del gas in sovrapposizione dei fasci di corrispondenza.

3. laser a diodi Software

1. Eseguire il programma LabVIEW AuroraOne control.vi.
2. Fare clic sul pulsante attiva Laser TEC in posizione on e fare clic sul pulsante RW/TW sicurezza fuori.
3. Impostare il laser corrente inserendo il valore desiderato in microwatt nel campo TA set-point . Digitando un nuovo valore, mentre il laser è in esecuzione regola la corrente.
4. Fare clic sul pulsante TA attivare la posizione on per accendere il diodo laser corrente su.
5. Disattivare il diodo laser cliccando la TA attivare e il Laser TEC consentono alle posizioni fuori .

4. ID sviluppo sistemi di Imaging

1. Eseguire il programma LabVIEW UpconversionControl.vi.
2. Nella scheda Impostazioni, impostare la velocità dell'otturatore a 8 µs digitando il valore nel campo Tempo di esposizione (secs).
3. Nella scheda Impostazioni, impostare il tipo di otturatore a Global nel campo denominato ID dell'otturatore.
4. Sotto la scheda DBG, impostare il tipo di trigger per Lo_Hi nel campo ID attiva .
5. Sotto la scheda DBG2, impostare il ritardo di attivazione nel campo denominato ID Trigger Delay (µs). Questo dipenderà il ritardo tra l'impulso di trigger e l'impulso del laser del laser.
6. Nella scheda Impostazioni, impostare off insieme x off set Sì per 480 pixel e la larghezza e altezza su 96 pixel.
7. Nella scheda Impostazioni, impostare il frame rate a 0 nel campo Framerate ; Questo imposta la fotocamera per scattare un fotogramma al segnale trigger.
8. Accendere la fotocamera premendo il pulsante Avvia acquisizione .
9. Quando un segnale sta entrando il rilevatore di upconversion, il segnale sarà visibile come un punto luminoso al centro dell'immagine sulla destra nel programma LabVIEW. Utilizzare la funzione Rect sulla barra a sinistra accanto all'immagine per disegnare un rettangolo di 6x6 pixel intorno il segnale.
10. Mostra l'intensità media da pixel selezionati in funzione del tempo sotto la scheda cronologia . Se necessario, il grafico può essere cancellato cliccandolo destro e selezionando Cancella.
11. Premere il tasto di Acquisizione Stop per fermare l'acquisizione di nuove immagini dalla fotocamera.
12. Esportare i dati facendo clic con la trama di intensità, selezionare copiare i dati negli Appuntie incollare i dati in un file . txt .
13. Disattivare il programma fotocamera e controllo premendo il pulsante Arresta .

Risultati

Figura 3 Mostra il segnale da diverse concentrazioni di HCN in N₂, calcolato in media su tre scansioni per ciascuna concentrazione. La miscela è stata preparata mescolando 300 ppm HCN N₂ con puro N₂ tramite flusso di massa controller e riscaldamento a K. 843 Il picco centrale è la linea P(20) della banda vibrazionale₁ ν di HCN. L'inserto nella Figura 3 Mostra il valore di picco del segnale da questa linea per ciascuna concentrazione, con un polinomio di secondo grado in forma. La dipendenza di concentrazione del segnale può essere descritto da S = ax² + b, dove S è il segnale e a e b sono raccordo costanti¹⁷. Misure di concentrazione assoluta in una fiamma richiedono una misurazione di calibrazione come illustrato di seguito, ad una temperatura nota, per determinare la costante un. La temperatura del volume di misurazione nella fiamma deve essere misurata anche come il costante un scale con temperatura; una trattazione completa di questo è già stato pubblicato il¹⁷. Il periodo poling utilizzato per questa misura era di 21,5 µm, con una temperatura di cristallo di 104,5 ° C.

Figura 4 presenta i dati grezzi da una fiamma premiscelata. Mostra cinque analisi consecutive sopra la gamma 3229.5-3232 cm^-1, ogni scansione presa circa 65 s. Questi tre gruppi di copertura delle linee d'acqua, utilizzato per misure di temperatura. Idealmente, quando si lavora con un sistema stabile, ogni scansione sopra la stessa gamma dovrebbe essere identico, come la concentrazione, la pressione e la temperatura dovrebbe restare invariati. L'intensità dei cambiamenti qui visto linee drasticamente da scansione di scansione, che è perché la modalità di impulso del laser e l'energia non è stabile da scansione di scansione. Risultati come questi sono inutilizzabili a meno che l'energia dell'impulso laser è stato registrato e può essere utilizzato per ordinare misure con sufficiente energia di impulso laser dal resto. Il periodo poling utilizzato per questa misura era di 21,5 µm, con una temperatura di cristallo di 123 ° C.

Nella Figura 4, la dispersione di sfondo non si vede perché è stato utilizzato un filtro ND2 per ridurre il segnale, per evitare di saturare il rivelatore. Per i segnali più deboli, è stato trovato che la dispersione di sfondo è dell'ordine di 5 pJ per impulso, che corrisponde al segnale generato dalla linea P(20) della banda vibrazionale₁ ν di 100 ppm HCN a temperatura ambiente.

Figura 1: diagramma del rivelatore upconversion. U1-U7 e UH sono specchi, altamente riflettente (HR)-rivestito per 1.064 nm. Tutti gli specchi sono piani, ad eccezione di U3, che ha un raggio di 200 mm di curvatura. Specchi U1-U5 sono fatte per essere trasmissivo alla lunghezza d'onda del diodo laser, per garantire che la luce di LD non raggiungono il rivelatore. U6 è trasmissivo per il segnale di upconverted, 650-1.050 nm. U7 è trasmissivo per il segnale di metà-IR. UH è 95% riflettente per 1.064 nm e 5% trasmissivo. La lunghezza del percorso da U1 a U3 è 156 mm e la lunghezza del percorso da U3 a U7 è 202 mm. L4 e L5 sono lenti acromatiche con 60 mm e lunghezza focale di 75 mm, rispettivamente. Entrambi sono trasparenti per 650-1.050 nm. La fotocamera usata come rivelatore si trova 75 mm da L5. Il campo di cavità è polarizzato verticalmente. Il PPLN usato qui ha poling periodi di 21.0 µm, 21,5 µm, 22.0 µm, 22,5 mm e 23.0 µm, e la lunghezza di cristallo è 20 mm. Il rivelatore visibile e vicino infrarosso utilizzato è una fotocamera di UI-5240CP-NIR-GL da sistemi di sviluppo di Imaging di IDS. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: diagramma dell'installazione DFWM. M1 è un specchio dielettrico altamente riflettente (HR) alla lunghezza d'onda del laser pulsato. M2 è uno specchio dielettrico rivestito per essere HR alla lunghezza d'onda del laser pulsato e trasmissive per il fascio di guida HeNe. M3-M6 sono protetti specchi d'oro. B.C.1 e B.C.2 sono piastre BOXCARS 1 e 2. L1 è un obiettivo di₂ 500 mm lunghezza focale CaF con un diametro di 5,1 cm. L2 è che una lente di₂ 500 mm lunghezza focale CaF con un diametro di 2,54 cm. L3 è un obiettivo da 100 mm lunghezza focale CaF₂ . Il laser pulsato è polarizzato verticalmente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3 : Segnale da diverse concentrazioni di HCN in N₂. Il picco centrale è la linea P(20) della banda vibrazionale₁ ν di HCN. L'inserto Mostra il segnale di picco da ciascuna concentrazione (indici di diamanti), con un polinomio di secondo ordine in forma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4 : Cinque analisi consecutive di ca. 65 s in durata per ogni scansione, fatto in una fiamma premiscelata. Il laser è stato digitalizzato sopra la gamma di 3229.5-3232 cm^-1. I picchi visti qui sono il segnale da diverse collezioni di H₂O linee di transizione. Il segnale è stato ridotto con un ND1 e un filtro ND0.6, per evitare di saturare il rivelatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: piastra A BOXCARS visto dal lato. È un blocco di materiale trasparente. Sul lato di ingresso, è rivestito con un rivestimento antiriflesso su metà della superficie. Il raggio laser entra qui e raggiunge il lato di uscita, dove la metà della superficie è rivestita per una trasmissione del 50%. La luce riflettuta internamente nella piastra viene rifratta poi alla parte del lato ingresso rivestito per alta riflessione e si riflette attraverso la metà superiore del lato di uscita. Un fascio questo si divide in due raggi paralleli. Lo stesso effetto potrebbe essere raggiunto con un divisore di fascio e uno specchio, ma un divisore di fascio avrebbe qualche riflessione dalla superficie posteriore, che potrebbe aumentare il rumore di fondo. Inoltre, la piastra BOXCARS non richiede nessun allineamento affinché le due travi prodotte sono parallele. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: intracavitaria potenza in funzione del diodo laser pompa corrente per il modulo di upconversion. Ogni punto è una media della potenza misurata da tre tracciati separati della cavità e le barre di errore indicano la diffusione tra i tracciati separati. La deviazione dal comportamento ideale laser è causata da effetti termici nei laser di cristallo ed il cristallo PPLN. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

La precisione dell'allineamento del fascio laser pulsato è fondamentale per la sensibilità del metodo. Deve prestare un'attenzione speciale per garantire che le travi sono separate dalla distanza uguale dopo le piastre BOXCARS e che le travi sono ugualmente spaziati intorno il centro di L1. Deviazione da questo porterà ad un calo significativo nell'intensità del segnale e, di conseguenza, la sensibilità. Allo stesso modo, è necessario prestare attenzione che la cavità di upconversion modulo è in esecuzione in modo fondamentale e che il fascio di segnale è allineato per una sovrapposizione ottima con la pompa di upconversion. Il segnale può facilmente essere ridotta da uno o due ordini di grandezza se la cavità di upconversion è in esecuzione in una modalità errata o la sovrapposizione di fascio di segnale con il campo di cavità è suboptimale. Questo include immissione L3 con precisione millimetrica, in modo che il punto focale di segnale fascio è nel mezzo del cristallo PPLN. Con una sovrapposizione ottima e 80 W di potenza di cavità, un'efficienza quantica di 6% della fase SFG è possibile. Con il rivelatore e la lunghezza d'onda usata qui, l'efficienza di rivelazione totale è 3%. La potenza massima intracavitaria che può essere raggiunta è di 120 W, ma 80 W può essere realizzato in modo affidabile. L'efficienza di conversione è proporzionale alla potenza intracavitaria, così i segnali registrati con un potere diverso intracavitaria possono essere paragonati se il potere di intracavitaria è registrato.

Il principale fattore limitante per la sensibilità di questo metodo è la dispersione di sfondo, che annega i segnali deboli. Per limitare questa dispersione, è fondamentale che le ottiche sono mantenuto privo di polvere, soprattutto lente L1. Deve anche prestare attenzione che la posizione del blocco trave riduce al minimo il rumore di fondo. Il blocco del fascio deve essere collocato su un palcoscenico di xy così che può essere spostato in un modo controllato in entrambi il piano orizzontale e verticale, perpendicolare alla direzione delle travi.

La scansione discusso qui è fatta con il PPLN a temperatura costante. L'efficienza di conversione è proporzionale a sinc (ΔkL/2π)², dove Δk è lo squilibrio di fase e L è la lunghezza del cristallo. Il massimo di mezza larghezza intera (FWHM) di questa funzione è la larghezza di banda del rivelatore ad una temperatura costante di cristallo PPLN. La FWHM di questa funzione cambia con la temperatura di cristallo e la lunghezza d'onda ma è generalmente dell'ordine di 5 cm^-1 in mid-IR, per un cristallo lungo di 20 mm. L'eccezione è vicino a 4.200 nm, dove la larghezza aumenta notevolmente¹⁸.

Nessuna scalatura ottica sono state incluse nel diagramma in Figura 2, perché ci sono una serie di problemi da considerare prima di decidere che cosa, se qualsiasi, ridimensionamento è necessaria. Per l'installazione qui descritto, il fascio laser pulsato è collimato a un fascio di diametro di ca. 2 mm quando si raggiunge L1. Questo dà una vita del fascio al punto focale di circa 400 µm, utilizzando una lunghezza d'onda di 3 µm. Quando si implementa questa tecnica, potrebbe essere auspicabile per modificare la lunghezza focale di L1, sia perché è necessario più spazio tra L1 e il punto focale per ragioni pratiche, o per ridurre il volume di misura aumentando gli angoli di convergenza, che possono essere fatto usando una focale più corta. In questo caso, la vita del fascio al punto focale deve essere tenuta a ca. 400 µm e il fascio collimato dovrebbe essere adattato in base. Dovrebbe, tuttavia, occorre tener conto che aumentando il diametro del fascio senza aumentare la spaziatura delle travi aumenterà lo scattering dai bordi del blocco di larghezza. La risoluzione spaziale è data dalla sovrapposizione dei fasci pompa. Per l'installazione qui descritto, la sovrapposizione è 6 mm di lunghezza, quindi il volume di misura è un cilindro di 6 mm di lunghezza, con un raggio di 0,4 mm.

Per raggiungere quasi-monofase-corrispondenza nel cristallo PPLN, sia il segnale di metà-IR e il campo di intracavitaria della cavità upconversion deve essere straordinariamente polarizzati nel cristallo PPLN. La cavità di upconversion dovrebbe essere costruita affinché la polarizzazione del campo intracavitaria è automaticamente giusta. Se il laser di metà-IR non corrisponde già questo, un waveplate può essere inserito a metà-IR laser uscita per trasformare la polarizzazione.

IR-DFWM richiede relativamente alta energia impulsi, mJ 1-4, combinato con uno stretto abbastanza linewidth laser per risolvere linee molecolari, che sono dell'ordine di 0,1 cm^-1. Laser che corrispondono a questi criteri generalmente hanno tassi di ripetizione basso, e come acquisizione di dati con DFWM è generalmente fatto analizzando la lunghezza d'onda del laser, questo limita la velocità di misure. Ciò significa che il metodo viene applicato più prontamente alle misurazioni dove il soggetto non cambia nel tempo, anche se è stato applicato anche a misure risolte temporalmente¹⁷. Un'altra limitazione è che, a causa della sensibilità a luce diffusa, particelle a o vicino al volume di misura creerà eventi di scattering che annegano completamente il segnale¹⁷. La condizione di fase-partita del processo upconversion è spettralmente stretta, che aiuta a eliminare il rumore dalla radiazione di fondo termico, ma rende scansioni negli intervalli di vasta lunghezza d'onda più lunghe come la temperatura PPLN deve essere sintonizzata per mantenere il lunghezza d'onda del segnale fase-abbinati.

Usi futuri di IR-DFWM sono previste per la rilevazione di NH₃ in fiamme, o di continuare il lavoro con HCN in ambienti più pratici. Il mezzo più ovvio per migliorare il metodo è quello di ridurre ulteriormente lo sfondo da luce diffusa. Questa operazione può essere eseguita utilizzando un filtro spaziale del fascio segnale dopo il segnale viene raccolto da L2.

Materiali

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