JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Здесь мы представляем протокол для выполнения чувствительных, пространственно решена газ спектроскопии в средней инфракрасной области, используя вырожденный Четырехволновое смешивания в сочетании с upconversion обнаружения.

Аннотация

Мы представляем протокол для выполнения газ спектроскопии с помощью инфракрасного выродились Четырехволновое смешивания (IR-DFWM), для количественного обнаружения видов газа в диапазоне ppm до одного процента. Основная цель метода является пространственно разрешить обнаружение низкие концентрации видов, которые имеют не переходы в видимой или вблизи ИК спектральном диапазоне, который может использоваться для обнаружения. ИК-DFWM является методом неагрессивных, который является большим преимуществом в исследованиях сгорания, как вставить зонд в пламя может изменить его резко. ИК-DFWM в сочетании с upconversion обнаружения. Эта схема обнаружения использует сумму частота поколения для перемещения ИК-DFWM сигнал от середины ИК области вблизи IR, воспользоваться преимуществами улучшенных шумовых характеристик детекторов на основе кремния. Этот процесс также отвергает большинство тепловой радиации. Протокола, представленные здесь уделяется надлежащему применению оптики ИК-DFWM и о том, как согласовать системы обнаружения внутрирезонаторным upconversion.

Введение

ИК-DFWM обеспечивает возможность измерения концентрации активных видов ИК до ppm уровня1, с пространственным разрешением. ИК-DFWM имеет несколько преимуществ, которые делают его привлекательным техника для сгорания исследований. Пламя может резко изменилась путем введения зонды, но ИК-DFWM неагрессивных. Она имеет пространственное разрешение, поэтому видов концентрации в различных точках в структуре пламени может быть измерена. Она обеспечивает согласованную сигнал, который может быть изолирован от тепловых выбросов пламени. Кроме того DFWM менее чувствителен к флуоресцирования окружающей среды, чем, например, лазерно индуцированным столкновения (LIF), который может быть трудно определить в пламени. Этот метод также предоставляет доступ к молекулярных видов, которые ИК активный, но отсутствие видимых или вблизи видны переходы, которые могут использоваться для измерения их с другими методами.

В то время как DFWM имеет ряд преимуществ, альтернативные методы могут быть предпочтительнее, если не требуется один или несколько из этих преимуществ. Если пространственное разрешение не требуется, методы, основанные на поглощения будет проще и точнее. Если молекулярных видов переходов в регионе видимым или вблизи IR, LIF может быть предпочтительным, как LIF может предоставить пространственно решена информацию от плоскости, а не только одной точке. При правильных условиях нелинейные методы, такие как DFWM и ПС, может также использоваться для измерения 2D single shot2. Сигнал этих нелинейных методов пропорциональна интенсивности пучка зонд Кубе, и как луч насоса должен быть расширен для покрытия области 2D измерение, это требует очень высокой импульсов энергии или сочетание высокой восприимчивостью третьего порядка, высокие концентрации и низкий фоновый шум для работы. Таким образом это главным образом зависит от молекулярных видов ли это возможность.

В более прямой конкуренции с DFWM, есть другие четыре волны смешивания-на основе спектроскопических методов: последовательной Антистоксовый Рамановская спектроскопия (легковые автомобили), лазерно индуцированным решетки спектроскопии (LIGS) и поляризации спектроскопии (PS). Автомобили является устоявшейся техника для измерения температуры и основных видов в средах сгорания. Однако ей не хватает чувствительности для обнаружения мелких видов, как предел обнаружения обычно составляет около 1%2. P.S. и DFWM ранее было показано, чтобы иметь аналогичные чувствительность и обнаружения ограничивает3; Однако чтобы увеличить коэффициент 500 при сочетании с upconversion обнаружения4, в то время как PS показывает только 64-fold увеличение5было показано соотношение сигнал шум DFWM. LIGS обладает преимуществом, вызывая решетки, используя середины IR свет, но меры эффект преломления Лазерный зонд этой решетки, и волны Лазерный зонд может быть выбрано свободно6. Таким образом, длина волны лазера зонд можно в видимой области, где имеются быстрые, низким уровнем шума детекторы на основе кремния. Это те же преимущества, что достигается с помощью upconversion. LIGS имеют тот недостаток, что он очень чувствителен к столкновение2, что означает, что концентрация крупных газовых видов должны быть известны точные концентрации или измерения температуры с LIGS. Если решить этот вопрос, LIGS имеют аналогичные чувствительность к DFWM и ПС на атмосферное давление3, но где LIGS сигнала увеличивается с увеличением давления, сигнал от DFWM и ПС увеличивается при более низких давлениях, что означает предпочтение техника будет зависеть от давления среды.

Обнаружение upconversion методика преобразования сигнала от долго длин волн в коротких, используя сумма частоты генерации. Преимуществом этого является, что детекторы в видимой и ближней ИК-области спектра имеют более низкий уровень шума и более высокая чувствительность, чем их коллеги в регионе середине IR. Это было впервые исследованы пять десятилетий назад7, но видели очень мало внимания и использовать с тех пор, благодаря эффективности низкой конверсии. Однако с достижениями в технологии производства для периодически поляризованных литий ниобата свинца (PPLN) и другие материалы с высокой нелинейных коэффициентами, а также расширение доступности мощных лазерных диодов (LDs), техника привлекла увеличилась в последнее десятилетие, с приложениями, в таких областях, как середины ИК Однофотонная обнаружения8,9,10,11, ИК lidar12,13и гиперспектральных внимание 14,15 и микроскопии16изображений. Главным преимуществом сочетания upconversion обнаружения с ИК-DFWM фаза матч условие имеет узкий углового и спектрального признание band, который сильно дискриминирует тепловой фон, позволяющий обнаружение слабых сигналов.

протокол

Детектор upconversion показана на рисунке 1; зеркала, линзы или других оптика, указанный в протоколе определены здесь или в схеме установки ИК-DFWM, показан на рисунке 2. В разделе протокол посвящен, главным образом, с согласования оптические установки, используемые для этого метода, и этот процесс может быть приостановлена в любой момент, отключив все работает оборудование. Все зеркала настраиваются вручную. Программное обеспечение используется здесь для управления камерой и LD был доставлен вместе с upconversion детектор. Использование программного обеспечения описаны в конце протокола.

1. Upconversion

  1. Поместите конец зеркало выравнивание полости, UH, как указано на рисунке 1.
  2. Удалите PPLN кристалл из кристалла горе.
  3. Место карты ИК чувствительных (чувствительных в 1064 нм) в позиции A, см. Рисунок 1.
  4. Превратить угол кинематической горы, холдинг UH в крайнее положение в горизонтальном и вертикальном направлении. Затем включите LD на примерно 1/3 максимальной выходной.
  5. Выровняйте выравнивание полости следующим образом.
    1. Измените угол UH, + 0,2 ° в горизонтальном направлении.
    2. Развертки вертикальный угол UH от одной крайности к другой, во время просмотра карты ИК для пучка из полости выравнивание.
    3. Повторите шаги 1.5.1 и 1.5.2 полости начинает генерации.
    4. При генерации полости выравнивание, переключение между регулируя угол UH для более высокой мощности и сокращения текущей LD диска. LD концевые диск полный полость, которая имеет много большие потери, чем выравнивание полости. Держите власть, где луч, оставляя UH легко видны с помощью ИК карты, но не более того.
  6. Извлеките карту ИК.
  7. Отрегулируйте угол U2, поэтому выравнивание пучка отражается в центре U3 (рис. 1).
    Примечание: Луч из полости выравнивание должен попасть U2 в центре.
  8. Отрегулируйте угол U3, чтобы луч продолжает U4, U5 и U6 и U7 отражения от U6.
  9. Пучка должны пройти через горы PPLN на высоте в середине каналов PPLN кристалл, и он должен ввести перпендикулярно поверхности кристалла. Чтобы исправить высоту и угол, при регулировке U3 держать пучка уровня и по центру через отверстия используйте U2 x и y.
  10. Удалить окна Германий и поместите карту ИК позади U7, так что ИК луча, оставляя полость будет хит карты, и флуоресценции будет видимым для лица, совместив полости.
    Примечание: Выравнивание луч будет теперь проходить через PPLN горы и ударил U7.
  11. Отрегулируйте угол U7, так что отражение от U7 проходит обратно по пути пучка выравнивание. Во время регулировки угла U7, смотрите для пучка на карте ИК. Когда виден луч, отрегулировать угол U7 максимизировать выход.
  12. Установите PPLN на горе. Убедитесь, что горе размещается так, чтобы луч проходит через один из каналов в кристалле.
  13. Продолжить с substep (шаг 1.13.1, 1.13.2 или 1.13.3) соответствия текущей ситуации.
    1. Если инфракрасный луч все еще видима, удалились U7, отрегулируйте U7 максимизировать выход, и продолжать к следующему шагу.
    2. Если инфракрасный луч, удалились U7 больше не виден, увеличить ток до 1/3 максимальной выходной LD и проверить, если ИК луч можно увидеть. Если виден луч, перейдите к шагу 1.13.1; в противном случае перейдите к шагу 1.13.3.
    3. Уменьшите текущие LD до прежнего уровня и трассировки луча руководство чтобы увидеть, если она проходит через PPLN в центре одного из каналов. Если этого не произойдет, повторите шаг 1.7, но с PPLN на горе.
  14. Выключить LD, удалить UH и прикрепить фильтр LP750 в положении B (см. Рисунок 1).
  15. Место измеритель мощности за U7, но оставить пространство для проверки пучка с картой ИК. Затем включите LD на полную мощность.
  16. Если сигнал не виден на измеритель мощности, сделать небольшой угол изменения U7, наблюдая за сигнал на измеритель мощности. Если сигнал найден, продолжать к следующему шагу; в противном случае вернитесь к шагу 1.1.
  17. Оптимизируйте выравнивание полости, регулируя углов U2 и U7 максимизировать возможности, при использовании мощных ИК-карты для проверки, что полость выполняется в основных Гаусса режиме.
    Примечание: Хотя это может быть возможность получить большой мощности в режиме высшего порядка, крайне важно для повышения эффективности конверсии, что лазер работает в основных режиме.
  18. Если полость не работает в режиме основных, он будет работать в режиме высшего порядка, где несколько лопастями видны на карте ИК. Поверните U7, так что долей являются сблизить на карте ИК, до тех пор, пока они сливаются.
  19. Запишите выходной мощности на U7. Используйте это и передачи U7 для вычисления внутрирезонаторным поле. Сравните это значение Калибровочная кривая на рисунке 6.
  20. Когда был оптимизирован полости, удалите фильтр LP750 и прикрепить окно Германий.

2. ИК DFWM выравнивание

Примечание: Для схемы установки DFWM рис.

  1. Совместите HeNe лазерный луч (руководство луч) с м3 и М4 попасть L1 в центре, по горизонтали от M4 собирается L1.
  2. Вставьте крытые вагоны пластина 1 под углом 45° к лучу (вертикали) и убедитесь, что луч проходит через, производить два вывода пучков.
  3. Вставьте плита 2 крытых вагонов под углом 45° к балкам (горизонтально) и убедитесь, что луч проходит через, производит четыре вывода пучков. Регулировка углов пластины, поэтому балки расположены как углы в квадрате.
  4. Отрегулируйте положение L1 до тех пор, пока лучи одинаково расположенных вокруг центра объектива.
  5. Оставьте сигнальный луч, который будет создан на пути луча, заблокирован блок луча, разблокирован сейчас, поэтому она может использоваться для выравнивания остальная часть установки. Место Ирис, поэтому он блокирует три насоса балки, но позволяет четвертый луч, сигнальный луч пройти.
  6. Внивания коллимированного пучка сигнала L2. Это должно быть сделано с помощью фокусные на длине волны импульсного лазера и не путем визуального осмотра, как фокусных расстояний будет отличаться для волны луча руководство и середины ИК
  7. Место M5 и M6, так что руководство луч центрируется в окне ввода upconversion детектор и перпендикулярно к окну ввода.
  8. Место L3 одно Фокусное оптическое расстояние от центра PPLN. Учитывать преломление окна германий, резонаторное зеркало и PPLN, сама.
  9. Настройка модуля upconversion и включите его (см. раздел 1).
  10. Удалите окна Германий upconversion детектора. Это позволит 1064 луч для выхода из модуля upconversion.
  11. Перекрытие HeNe лазерного луча и 1064 света upconversion детектора с помощью M6 для перемещения 1064 пучка на сигнальный луч, таким образом, чтобы они перекрывались на L2 и используя M5 для перемещения руководство пучка на 1064 луча на L3. Поочередно два зеркала до руководство луча и 1064 следовать по тому же пути.
  12. Присоедините окно Германий.
  13. Место несколько ND-фильтры на пути луча, перед upconversion детектор. Проявлять большую осторожность никогда не позволяйте unattenuated пучка от импульсного лазера в upconversion детектора, как высокая энергия, скорее всего, повредить детектора.
  14. Включите импульсных лазерных и убедитесь, что оно стабильным и в соответствующей энергии в импульсе.
  15. Перекрытие импульсных лазерных и руководство луч следующим образом.
    1. Отрегулируйте угол M1 до импульсных лазерных перекрывает луч руководство на луч комбайнер (м2).
    2. Отрегулируйте угол м2, так что импульсных лазерных отражается в направлении распространения луча руководство.
    3. Проверьте, что лучи накладываются на луч сумматор и на расстоянии 1 м, 2 m и 3 m.
  16. Найти координационным центром балок после L1. Место потока газа или пламя, чтобы быть измерены, чтобы точки измерения находится в фокальной точке балок.
  17. Подключите сигнал триггера от импульсного лазера Детектор upconversion ворота время обнаружения. Если время задержки и ворота время не известны, начните с длительность времени ворот и сузить его при обнаружении сигнала.
  18. Поиск установки, особенно плиты, крытые вагоны, для странствующих размышления и убедитесь, что они блокируются.
  19. Оптимизируйте выравнивание сигнальный луч детектор upconversion следующим образом.
    1. Если сигнал отображается на детектор, отрегулируйте M5 и M6 для максимального сигнала.
    2. Если сигнал не виден на детектор, уменьшите ND фильтр на один порядок величины. Повторяйте до тех пор, пока сигнал воспринимается.
    3. Если сигнал на детектор насыщен, увеличьте ND фильтр на один порядок величины. Повторяйте до тех пор, пока сигнал не насыщен.
    4. Пройти через шаги 2.19.1-2.19.3 до тех пор, пока сигнал не может быть увеличен путем корректировки M5 и M6.
  20. Поместите блок луча, так, что он блокирует сигнал луч, как указано на рисунке 2. Затем удалите ND-фильтры.
  21. Отрегулируйте положение блока луча по сокращению любых рассеяния (фоновый шум) видели на детектор. Проявлять большую осторожность, чтобы не разблокировать луч случайно и разоблачить детектор для прямой свет от импульсного лазера.
  22. Подготовьте потока газа или пламя, чтобы быть измерены. Затем проверить импульсного лазера через волны спектр интересов, при записи сигнала от детектора. Это будет генерировать соответствующий состав газа на перекрытие лучи спектра.

3. лазерный диод программного обеспечения

  1. Запустите программу LabVIEW AuroraOne control.vi.
  2. Нажмите кнопку включить лазерный TEC на позицию и нажмите RW/TW безопасности кнопку выкл.
  3. Установите лазерный текущего, введя нужное значение в микроваттах в поле та уставки . Введите новое значение в то время как работает лазер будет корректировать текущий.
  4. Нажмите кнопку TA включить положение на , чтобы превратить лазерный диод тока на.
  5. Выключите лазерный диод, нажав TA включить и Лазерной TEC включить в позиции выкл .

4. Идентификаторы, развития системы визуализации

  1. Запустите программу LabVIEW UpconversionControl.vi.
  2. На вкладке Параметрыустановите скорость затвора до 8 МКС, введя значение в поле Время экспозиции (в секундах).
  3. На вкладке Параметрыустановите тип затвора глобального в поле Идентификаторы затвора.
  4. На вкладке DBGустановите тип триггера Lo_Hi в поле Идентификаторы триггера .
  5. На вкладке DBG2установите задержку триггера в поле Задержка запуска Идентификаторы (МКС). Это будет зависеть задержки между триггера пульс и лазерного импульса от лазера.
  6. На вкладке Параметрыустановите off set x и от набора y до 480 пикселей и Ширина и Высота 96 пикселей.
  7. На вкладке Параметрыустановите частоту 0 в поле Частота кадров ; Это устанавливает камеру взять один кадр в сигнал триггера.
  8. Включите камеру, нажав на кнопку Начать приобретение .
  9. Когда сигнал выходит upconversion детектор, сигнал будет видна как яркое пятно в середине изображения, отображаемого справа в LabVIEW программы. Используйте функцию Rect на левой панели рядом с изображением, чтобы нарисовать прямоугольник вокруг сигнала 6 x 6 пикселей.
  10. Просмотр средней интенсивности от отдельных пикселей как функцию от времени на вкладке История . При необходимости, граф можно очистить, щелкнув его правой кнопкой мыши и выбрав команду очистить.
  11. Нажмите кнопку Остановить приобретение остановить на приобретение новых изображений с камеры.
  12. Экспортируйте данные, щелкните правой кнопкой мыши сюжет интенсивности, выберите Копировать данные в буфер обменаи вставьте данные в файл .txt .
  13. Выключите камеру и контроль программы, нажав кнопку Закрыть .

Результаты

Рисунок 3 показывает сигнал от различных концентраций HCN в N2, усредненное по три сканирования для каждой концентрации. Смесь был подготовлен путем смешивания 300 ppm, HCN N2 с чистым N2 с использованием массового потока контроллеров и нагревания до 843 K. Центральный пик-P(20) линия ν1 вибрационной полосы HCN. Врезные на рис. 3 показывает пиковое значение сигнала от этой линии для каждого концентрации, с второй степени многочлена подходят. Зависимость концентрации сигнала могут быть описаны S = ax2 + b, где S — сигнал и и b укладываются константы17. Измерения абсолютной концентрации в пламени требуют калибровки измерений, как показано здесь, при известной температуре, чтобы определить постоянный . Температура в том измерений в пламени также должна быть измерена как постоянное весы с температурой; полное обсуждение это уже было опубликовано17. Для этого измерения избирательных период был 21.5 мкм, с температурой кристалла 104.5 ° C.

Рисунок 4 представляет необработанные данные от готовые пламени. Она показывает пять последовательных сканирований в диапазоне 3229.5-3232 см-1, каждое сканирование, принимая примерно 65 s. Эти покрытия три группы трубопроводы, используемые для измерения температуры. В идеале при работе с стабильной системы, каждого сканирования в том же диапазоне должны быть идентичны, как концентрация, давления и температуры должны быть неизменными. Интенсивность линии видели здесь изменения резко от сканирования для сканирования, который является потому, что режим лазерного импульса и энергии не является стабильным из сканирования для проверки. Результаты как эти являются непригодными для использования, если энергия импульса лазерного был записан и может использоваться для сортировки измерения с достаточной энергии лазерного импульса от остальных. Для этого измерения избирательных период был 21.5 мкм, с температурой кристалла 123 ° C.

На рисунке 4фон рассеяния не видел, потому что ND2 фильтр используется для уменьшения сигнала, чтобы избежать насыщения детектор. Для более слабых сигналов было установлено, что рассеяние фон составляет порядка 5 ПДж в импульсе, который соответствует сигнал от линии P(20) полосе колебательных ν1 100 ppm HCN при комнатной температуре.

figure-results-2779
Рисунок 1: схема детектора upconversion. U1-U7 и UH, зеркала, высокую отражательную способность (HR)-покрытием для 1064 нм. Все зеркала являются самолеты, за исключением U3, который имеет 200 мм радиус кривизны. U1-U5 зеркала были сделаны быть пропускающий на длине волны лазерного диода, чтобы гарантировать доставку света LD не детектора. U6 пропускающий для upconverted сигнала, 650-1050 Нм. U7 пропускающий для середины ИК-сигнал. Ну это 95% отражает 1064 нм и 5% пропускающий. Длина пути от U1 U3-156 мм, а длина пути от U3 до U7 составляет 202 мм. L4 и L5 ахроматические линзы с 60 мм и 75 мм фокусное расстояние, соответственно. Оба являются прозрачными для 650-1050 Нм. Камера, служить детектора находится в 75 мм от L5. Поле полости вертикально поляризованный. PPLN, используемый здесь имеет отрабатываем периоды 21.0 мкм, 21.5 мкм, 22,0 мкм, 22.5 мм и 23.0 мкм, и кристалл-20 мм. Видимый и инфракрасный детектор используется — UI-5240CP-НИР-GL фотоаппарат от развития системы IDS Imaging. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-4135
Рисунок 2: Схема установки DFWM. M1 является диэлектрические зеркальные высокой отражающей способностью (HR) на длине волны импульсного лазера. М2-диэлектрические зеркальные покрытием для HR на длине волны импульсного лазера и передаточный для HeNe руководство пучка. М3-M6, защищены золото зеркала. Крытые вагоны пластины 1 и 2 B.C.1 и B.C.2. Кэш L1 – фокусным расстоянием 500 мм по2 СПП с диаметром 5,1 см. L2 — это фокусным расстоянием 500 мм по2 СПП с диаметром 2,54 см в. L32 объектив 100 мм фокусное каф. Импульсный лазер вертикально поляризованный. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-5081
Рисунок 3 : Сигнал от различных концентраций HCN в N-2. Центральный пик-P(20) линия ν1 вибрационной полосы HCN. Врезные показывает пика сигнала от каждой концентрации (Алмазный маркеры), с второго порядка полиномом подходят. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-5685
Рисунок 4 : Пять последовательных сканирований ОК. 65 s в продолжительность сканирования, сделали в готовые пламени. Лазер был отсканирован в диапазоне 3229.5-3232 см-1. Вершины, здесь находятся сигнал от нескольких коллекций H2O переход линий. Сигнал был сокращен с ND1 и ND0.6 фильтр, чтобы избежать насыщения детектора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-6387
Рисунок 5: вагоны тарелку видел со стороны. Это блок прозрачного материала. На входной стороне она покрыта просветляющих покрытий на половине поверхности. Лазерный луч входит здесь и достигает выходной стороне, где половина поверхности покрыта для передачи 50%. Свет, отраженный внутренне в пластине затем преломляется в часть входной стороны покрытием для высокого отражения и отражается в верхней половине выходной стороне. Это разбивает один луч на два параллельных лучей. Тот же эффект может быть достигнуто с splitter луча и зеркало, но splitter луча будет иметь некоторые отражения от задней поверхности, который может увеличить фоновый шум. Кроме того КРЫТЫЕ тарелке требует не выравнивание для обеспечения двух балок производится параллельно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-7495
Рисунок 6: мощность внутрирезонаторным функции насоса лазерный диод ток для модуля upconversion. Каждая точка является в среднем по мощности, измеренной от трех отдельных рядов полости и погрешностей указывают распространение между отдельные ряды. Отклонение от идеальной лазерный поведение вызвано тепловые эффекты в лазерный кристалл и PPLN кристалла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Обсуждение

Точность выравнивания импульсного лазерного луча имеет решающее значение для чувствительности метода. Особое внимание следует обеспечить балки разделены на равном расстоянии после КРЫТЫХ пластины и что лучи одинаково расположенных вокруг центра L1. Отклонение от этого приведет к значительному снижению интенсивности сигнала и, следовательно, чувствительность. Кроме того необходимо позаботиться что полость upconversion модуль выполняется в режиме основных и что сигнальный луч выравнивается для оптимального совпадения с насосом upconversion. Сигнал может быть уменьшена легко одной или двух порядков, если полость upconversion выполняется в неправильном режиме или перекрытие луч сигнала с полем полости неоптимальной. Это включает в себя размещение L3 с миллиметровой точностью, таким образом, чтобы сигнал луч координационным центром в середине PPLN кристалл. С оптимальное дублирование и 80 W полости власти 6% квантовой эффективности этапа SFG возможна. С детектором и волны, используемые здесь эффективность общего обнаружения составляет 3%. Мощность максимальная внутриполостной, которая может быть достигнута составляет 120 W, но 80 W может быть достигнуто надежно. Эффективность преобразования пропорциональн к внутриполостной власти, поэтому сигналы, записанный с различными внутрирезонаторным мощности можно сравнивать если мощность внутрирезонаторным записывается.

Основным ограничивающим фактором для чувствительность этого метода является фон рассеяния, который тонет слабых сигналов. Чтобы ограничить этот рассеяния, важно, что оптика, держал пыли, особенно линз L1. Необходимо также позаботиться что позиция блока луч уменьшает фоновый шум. Луч блок должно уделяться xy сцене так, что он может быть перемещен в контролируемым образом в обоих горизонтальной и вертикальной плоскости, перпендикулярно к направлению балок.

Сканирование, обсуждали здесь делается с PPLN при постоянной температуре. Эффективность преобразования пропорциональна sinc (ΔkL/2π)2, где Δk является несоответствие фазы и L – длина кристалл. Полная ширина половина максимума (FWHM) этой функции является пропускная способность детектора при постоянной температуре кристалл PPLN. FWHM этой функции изменения температуры кристалла и волны, но обычно составляет порядка 5 см-1 в середине IR, на кристалле длиной 20 мм. Исключение составляет около 4200 Нм, где ширина увеличивается значительно18.

Без масштабирования оптика были включены в схеме установки в Рисунок 2, потому что есть ряд вопросов для рассмотрения до принятия решения о том, что, если таковые имеются, масштабирование требуется. Для установки, описанной здесь импульсного лазерного луча является коллимированного на луч диаметром ОК. 2 мм, при достижении L1. Это дает луч талии в фокальной точке приблизительно 400 мкм, с помощью волны 3 мкм. При реализации этого метода, было бы желательно изменить фокусное расстояние L1, либо потому, что необходимо больше пространства между L1 и координационным центром по практическим соображениям, или сократить объем измерений путем увеличения углами конвергенции, которые могут быть с помощью короче Фокусное расстояние. В этом случае луч талии в фокальной точке должны храниться на примерно 400 мкм и коллимированном пучке должны масштабировать для соответствия. Следует, однако, необходимо учитывать, что увеличение диаметра луча без увеличения интервалов балок увеличит рассеяния от края блока луча. Пространственное разрешение дается перекрытия балки насоса. Для установки, описанной здесь перекрытие является 6 мм длиной, поэтому объем измерения представляет собой цилиндр 6 мм длиной, с радиусом 0,4 мм.

Для достижения квази-этапа сопоставления в PPLN кристалле, середины ИК-сигнал и внутрирезонаторным области полости upconversion должны чрезвычайно поляризован в PPLN кристалла. Upconversion полость должна быть построена так, что поляризация внутрирезонаторным поля автоматически. Если середины ИК лазер уже не соответствовать этому, фазовые может быть вставлен в середине IR Лазерный вывода превратить поляризации.

ИК-DFWM требует относительно высокой энергии импульсов, 1-4 МДж, в сочетании с узкой достаточно лазерный linewidth решить молекулярных линий, которые являются порядка 0,1 см-1. Лазеры, которые соответствуют этим критериям обычно имеют низкий второгодников, и как правило сбора данных с DFWM делается путем сканирования длины волны лазера, это ограничивает скорость измерений. Это означает, что наиболее легко применяется метод измерения, где тема не меняется со временем, хотя он также был применен к временно решена измерения17. Еще одним ограничением является, что, из-за чувствительности к рассеянного света, частицы или поблизости измерения объема создаст рассеяния событий, которые полностью утопить сигнал17. Фаза матч состояние процесса upconversion спектрально узкие, который помогает устранить шум от тепловой радиации, но он делает сканирование диапазонам широкие волны больше времени, как PPLN температуры должны быть настроены, чтобы сохранить соответствует фазе волны сигнала.

Будущего использования ИК-DFWM планируется для обнаружения NH3 в пламени, или продолжить работу с HCN в средах с более практичным. Наиболее очевидным средством для улучшения метод является для дальнейшего сокращения фон от рассеянного света. Это может быть сделано с использованием пространственной фильтрации сигнала луча после сигнала собирается L2.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Средств, полученных авторами в рамках Horizon 2020, Европейский союз высоко оценил. Эта работа проводилась в рамках среднего TECH Мари Кюри инновационные учебные сети [H2020-МСКА-ITN-2014-642661].

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Nd:YAG laser, pulsedSpectra PhysicsQuantarau Pro-290-10Quantity: 1 (For pumping the mid-IR laser)
Nd:YAG laser, injection seeding systemSpectra Physics6350Quantity: 1
NIR Dye laser - OPA systemSirahOPANIRQuantity: 1
HeNe laserThorlabsHNL100LBQuantity: 1
Dichroic mirrorLASEROPTIKNAQuantity: 1, custom order: HR for the mid-IR, transparent for 632 nm
Protected Gold MirrorsThorlabsPF10-03-M01Quantity: 5 
BoxCars PlateLASEROPTIKNAQuantity: 2, Custom order
xy-stageThorlabsDTS25/MQuantity: 2
500 mm focal length CaF2 lens, Ø2''Eksmaoptics110-5523EQuantity: 1
500 mm focal length CaF2 lens, Ø1''ThorlabsLA5464Quantity: 1
100 mm focal length CaF2 lens, Ø1''ThorlabsLA5817Quantity: 1 
Iris, Ø50 mmThorlabsID50/MQuantity: 1
ND1 IR filter (ZnSe)ThorlabsNDIR10BQuantity: 1
ND2 IR filter (ZnSe)ThorlabsNDIR20BQuantity: 1
ND3 IR filter (ZnSe)ThorlabsNDIR30BQuantity: 2
Upconversion DetectorNLIRNA (closest equivalent: U3055 3.0-5.5µm)Quantity: 1, Custom order 
VIS/NIR Detector CardThorlabsVRC2Quantity: 1, (low intensity)
NIR Detector CardThorlabsVRC4Quantity: 1, (high intensity)
MIR Detector CardThorlabsVRC6SQuantity: 1
Thermal Power Sensor HeadThorlabsS302CQuantity: 1
Power meter consoleThorlabsPM100DQuantity: 1

Ссылки

  1. 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).
  2. 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).
  3. Sahlberg, A. -. L. Non-linear mid-infrared laser techniques for combustion diagnostics. Lund University. , (2016).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Midwinter, J. E. Image conversion from 1.6 µ to the visible in lithium niobate. Applied Physics Letters. 12 (3), 68 (1968).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Mancinelli, M., et al. Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature. Nature Communications. 8 (2), 1-8 (2017).
  11. 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).
  12. Meng, L., et al. Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4. Optics Express. 26 (4), 3850-3860 (2018).
  13. 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).
  14. Junaid, S., et al. Mid-infrared upconversion based hyperspectral imaging. Optics Express. 26 (3), 2203-2211 (2018).
  15. Kehlet, L. M., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Pedersen, C. Infrared upconversion hyperspectral imaging. Optics Letters. 40 (6), 938-941 (2015).
  16. Hermes, M., et al. Mid-IR hyperspectral imaging for label-free histopathology and cytology. Journal of Optics. 20 (2), 023002 (2018).
  17. Hot, D., et al. Spatially and temporally resolved IR-DFWM measurement of HCN released from gasification of biomass pellets. Proceedings of the Combustion Institute. , (2018).
  18. Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P. Ultra-broadband mid-wave-IR upconversion detection. Optics Letters. 42 (8), 1504 (2017).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

145upconversionupconversionupconversion

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены