Name: infrared degenerate four-wave mixing with upconversion detection for quantitative gas sensing
Uploaded: 2019-03-22T13:00:00
Duration: 10 min 42 s
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委员会高度赞赏作者在 "地平线 2020" 范围内获得的资金。这项工作是作为中技术玛丽·居里创新培训网络 [H2020-mssca-itn-2014-642661] 的一部分进行的。

上转换检测器的设置如图 1所示;协议中引用的镜像、透镜或其他光学元件在此处或在图 2所示的 ir-dfwm 设置关系图中进行标识。协议部分主要讨论对齐用于此方法的光学设置, 该过程可以通过关闭所有运行的设备在任何时候暂停。所有镜像都是手动调整的。这里用来控制相机和 LD 的软件是与上转换检测器一起交付的。协议末尾描述了软件的使用情况。
1. 升级
<ol><li>放置对齐腔的端镜 uh, 如图 1所示。</li>
	<li>从晶体安装中取出 PPLN 晶体。</li>
	<li>将 ir 敏感卡 (在 1, 064 nm 处敏感) 放置在位置 a 处, 请参见图 1。</li>
	<li>将保持 UH 的运动式安装角度在水平和垂直方向上的极端位置。然后, 以大约最大输出的1.5 打开 LD。</li>
	<li>将对齐腔对齐, 如下所示。<ol>
<li>在水平方向上将 UH 的角度改变 + 0.2°。</li>
		<li>从一个极端扫描 uh 的垂直角度, 同时从对齐腔观看光束的红外卡。</li>
		<li>重复步骤1.5.1 并 1.5.2, 直到空腔开始激光。</li>
		<li>当对齐腔处于激光作用时, 在调整 UH 角度以获得更高的功率和降低 LD 驱动电流之间切换。LD 的尺寸驱动全腔, 其损耗远远高于对准腔。保持在离开 UH 的光束很容易与红外卡一起看到的地方, 但不超过这个。</li>
	</ol>
</li>
	<li>卸下红外卡。</li>
	<li>调整 U2 的角度, 使对齐光束反映在 U3 的中心 (图 1)。 注: 来自对齐腔的光束应击中中心的 U2。</li>
	<li>调整 U3 的角度, 使光束继续到 U4、U5 和 U6, 并从 U6 反射到 U7。</li>
	<li>光束必须在 PPLN 晶体通道中间的高度通过 PPLN 安装, 并且必须进入垂直于表面的晶体。使用 U2 校正高度和角度, 同时调整 U3 以保持光束水平和通过孔 x 和 y 居中。</li>
	<li>取下窗, 将红外卡放在 U7 后面, 这样离开空腔的红外光束就会击中空腔, 对着空腔的人就能看到荧光。 注: 对齐光束现在将通过 PPLN 安装并命中 U7。</li>
	<li>调整 U7 的角度, 使 U7 的反射沿对齐梁的路径返回。在调整 U7 的角度时, 请注意红外卡上的光束。当看到光束时, 调整 U7 的角度以最大限度地提高输出。</li>
	<li>将 PPLN 安装在安装中。确保安装, 以便光束通过晶体中的一个通道。</li>
	<li>继续执行与当前情况匹配的子步骤 (步骤1.13.1、1.13.2 或 1.13.3)。<ol>
<li>如果 U7 外仍可见红外光束, 请调整 U7 以最大限度地提高输出, 然后继续执行下一步。</li>
		<li>如果退出 U7 的红外光束不再可见, 请将 LD 电流增加到最大输出的一半, 并检查是否可以看到红外光束。如果光束可见, 请转到步骤 1.13.1; 如果光束可见, 则转到步骤否则, 请转到步骤1.13.3。</li>
		<li>将 LD 电流降低到以前的水平, 并跟踪导梁, 以查看它是否通过其中一个通道中心的 PPLN。如果没有, 请从步骤1.7 重复, 但使用安装中的 PPLN。</li>
	</ol>
</li>
	<li>关闭 LD, 删除 UH, 并在位置 B 处连接 LP750 过滤器 (参见图 1)。</li>
	<li>将功率计放在 U7 后面, 但留出空间, 用红外卡检查光束。然后, 以完全的力量打开 LD。</li>
	<li>如果在电能表上看不到信号, 请在观看电能表上的信号时, 对 U7 进行小角度更改。如果找到信号, 请继续执行下一步; 如果找到信号, 请继续执行下一步。否则, 返回到步骤1.1。</li>
	<li>通过调整 U2 和 U7 的角度来优化腔的对齐方式, 以最大限度地提高功率, 同时使用大功率红外卡检查腔是否在基本高斯模式下运行。 注: 虽然在更高阶模式下获得更高的功率可能是可能的, 但对于激光在基本模式下运行的转换效率至关重要。</li>
	<li>如果空腔未在基本模式下运行, 它将以更高的顺序模式运行, 在红外卡上可以看到多个裂片。转动 U7, 使裂片在红外卡上更紧密地结合在一起, 直到它们合并。</li>
	<li>在 U7 上记录输出功率。使用此和 U7 的传输来计算腔内场。将此值与图 6中的校准曲线进行比较。</li>
	<li>优化空腔后, 取出 LP750 过滤器, 重新连接窗。</li>
</ol>2. IR-DFWM 对齐
注: 有关 DFWM 设置的关系图, 请参见图 2 。
<ol><li>将 HeNe 激光束 (导束) 与 M3 和 M4 对齐, 将其打在中心的 L1 上, 水平从 M4 到 L1。</li>
	<li>以45°角插入 BOXCARS 板 1, 并确保横梁通过, 产生两个输出光束。</li>
	<li>在45°角的梁 (水平方向) 插入 BOXCARS 板 2, 并确保横梁通过, 产生四个输出梁。调整板的角度, 使横梁像正方形中的拐角一样间隔。</li>
	<li>调整 L1 的位置, 直到光束在镜头中心周围的间距相等。</li>
	<li>保留信号束, 信号束将沿着被光束块阻塞的光束路径生成, 暂时解除阻塞, 因此可用于对齐设置的其余部分。放置虹膜, 使其阻塞三个泵梁, 但允许第四光束, 信号光束, 通过。</li>
	<li>对齐 L2, 使信号光束准直。这必须使用脉冲激光波长的焦距, 而不是通过目视检查来完成, 因为导光束和中红外的波长的焦距会有所不同。</li>
	<li>放置 M5 和 M6, 使导束位于上转换检测器的输入窗口上, 并垂直于输入窗口。</li>
	<li>放置 L3 一个焦距光学距离中心的 PPLN。考虑到窗、空腔镜和 PPLN 本身的折射。</li>
	<li>设置上转换模块并将其打开 (请参阅第1节)。</li>
	<li>卸下上转换检测器的窗。这将允许1064光束退出上转换模块。</li>
	<li>通过使用 M6 将1064光束移动到信号光束上, 使其在 l2 上重叠, 并使用 M5 将导引光束移动到 l3 处的1064光束上, 将 hene 激光束和1064光束从上转换检测器重叠。在两个反射镜之间交替, 直到导梁和1064遵循相同的路径。</li>
	<li>重新连接窗。</li>
	<li>在上位转换检测器前面的光束路径中放置多个 ND 滤波器。非常小心, 不要让一个未衰减的光束从脉冲激光到上转换探测器, 因为高能量可能会损坏探测器。</li>
	<li>打开脉冲激光, 确保其运行稳定, 每个脉冲具有适当的能量。</li>
	<li>将脉冲激光和导束重叠如下。<ol>
<li>调整 M1 的角度, 直到脉冲激光与光束组合器 (M2) 处的导束重叠。</li>
		<li>调整 M2 的角度, 使脉冲激光反射到导光束的传播方向。</li>
		<li>检查光束在光束组合处以及在1米、2米和3米的距离上是否重叠。</li>
	</ol>
</li>
	<li>找到 L1 后横梁的焦点。将气体流量或火焰放置在光束的焦点处, 使测量点位于梁的焦点处。</li>
	<li>将触发信号从脉冲激光连接到上转换检测器, 并将检测时间门。如果不知道时间延迟和门时间, 请从较长的时间门持续时间开始, 并在发现信号时缩小时间范围。</li>
	<li>搜索设置, 尤其是 BOXCARS 板, 以查找错误的反射, 并确保它们被阻止。</li>
	<li>优化上转换检测器中信号束的对齐方式, 如下所示。<ol>
<li>如果检测器上可见信号, 请调整 M5 和 M6 以最大化信号。</li>
		<li>如果探测器上看不到任何信号, 请将 ND 滤波减少一个数量级。重复此操作, 直到看到信号。</li>
		<li>如果探测器上的信号饱和, 则将 ND 滤波增加一个数量级。重复此操作, 直到信号不再饱和。</li>
		<li>通过步骤 2.19.1-2.19.3, 直到信号不能再通过调整 M5 和 M6 来增加。</li>
	</ol>
</li>
	<li>放置光束块, 使其阻塞信号光束, 如图 2所示。然后, 删除 ND 筛选器。</li>
	<li>调整光束块的位置, 以减少在探测器上看到的任何散射 (背景噪声)。注意不要意外地打开光束, 并将探测器暴露在脉冲激光的直射光线下。</li>
	<li>准备要测量的气体流量或火焰。然后, 扫描脉冲激光跨越感兴趣的波长范围, 同时记录来自探测器的信号。这将产生一个光谱匹配的气体组成在重叠的光束。</li>
</ol>3. 激光二极管软件
<ol><li>运行 LabVIEW 程序Auroraone 控制.</li>
	<li>单击"激光 tec 启用" 按钮, 然后单击 " rw/tw" 安全按钮. </li>
	<li>通过在 ta 设定点字段中输入所需的微数值来设置激光电流。在激光运行时输入新值将调整电流。</li>
	<li>单击"ta 启用"按钮到打开位置, 以打开激光二极管电流。</li>
	<li>通过单击ta 启用和激光 tec 使能够关闭位置来关闭激光二极管。</li>
</ol>4. 入侵检测仪成像开发系统
<ol><li>运行 LabVIEW 程序更新控制.</li>
	<li>在 "设置"选项卡下, 通过在标记为 "曝光时间" (秒)的字段中键入值, 将快门速度设置为8μs。</li>
	<li>在 "设置" 选项卡下, 在标记为ids 快门的字段中将快门类型设置为"全局"。</li>
	<li>在选项卡Dbg下,在 ids 触发器字段中将触发器类型设置为lo _ hi 。</li>
	<li>在选项卡Dbg2下, 在标记为ids 触发器延迟 (μs) 的字段中设置触发延迟。这将取决于触发脉冲和来自激光的激光脉冲之间的延迟。</li>
	<li>在 "设置" 选项卡下,将关闭设置 x和关闭设置 y 设置为480 像素, 将"宽度" 和"高度"设置为96像素。</li>
	<li>在 "设置"选项卡下, 在 "帧率" 字段中将帧速率设置为 0; 在"帧"字段中, 将帧速率设置为0。这将使摄像机在每个触发信号上采用一帧。</li>
	<li>按下 "开始采集" 按钮打开相机。</li>
	<li>当信号进入上转换检测器时, 该信号将作为 LabVIEW 程序右侧图像中间的一个亮点可见。使用图像旁边左侧栏的rect函数在信号周围绘制一个 6 x 6 像素的矩形。</li>
	<li>在 "历史记录" 选项卡下查看所选像素的平均强度作为时间的函数。如有必要, 可以通过右键单击图形并选择"清除" 来清除该图形。</li>
	<li>按下 "停止采集" 按钮可停止从相机获取新图像。</li>
	<li>通过右键单击强度图导出数据, 选择将数据复制到剪贴板, 然后将数据粘贴到. txt文件中。</li>
	<li>按下 "关机"按钮, 关闭相机和控制程序。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Sahlberg, A. -. L., Zhou, J., Alden, M., Li, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+ro-vibrational+spectra+of+small+hydrocarbons+at+elevated+temperatures+using+infrared+degenerate+four-wave+mixing.">Investigation of ro-vibrational spectra of small hydrocarbons at elevated temperatures using infrared degenerate four-wave mixing.</a> Journal of Raman Spectroscopy. 47 (9), 1130-1139 (2016).</li><li>Kiefer, J., Ewart, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+diagnostics+and+minor+species+detection+in+combustion+using+resonant+four-wave+mixing.">Laser diagnostics and minor species detection in combustion using resonant four-wave mixing.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 37 (5), 525-564 (2011).</li><li>Sahlberg, A. -. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-linear+mid-infrared+laser+techniques+for+combustion+diagnostics.">Non-linear mid-infrared laser techniques for combustion diagnostics.</a> Lund University. , (2016).</li><li>H&#248;gstedt, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-noise+mid-IR+upconversion+detector+for+improved+IR-degenerate+four-wave+mixing+gas+sensing.">Low-noise mid-IR upconversion detector for improved IR-degenerate four-wave mixing gas sensing.</a> Optics Letters. 39 (18), 5321 (2014).</li><li>Pedersen, R. L., Hot, D., Li, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+an+InSb+Detector+and+Upconversion+Detector+for+Infrared+Polarization+Spectroscopy.">Comparison of an InSb Detector and Upconversion Detector for Infrared Polarization Spectroscopy.</a> Applied Spectroscopy. 72 (5), 793-797 (2018).</li><li>Sahlberg, A. -. L., Kiefer, J., Ald&#233;n, M., Li, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mid-Infrared+Pumped+Laser-Induced+Thermal+Grating+Spectroscopy+for+Detection+of+Acetylene+in+the+Visible+Spectral+Range.">Mid-Infrared Pumped Laser-Induced Thermal Grating Spectroscopy for Detection of Acetylene in the Visible Spectral Range.</a> Applied Spectroscopy. 70 (6), 1034-1043 (2016).</li><li>Midwinter, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image+conversion+from+1.6+&#181;+to+the+visible+in+lithium+niobate.">Image conversion from 1.6 &#181; to the visible in lithium niobate.</a> Applied Physics Letters. 12 (3), 68 (1968).</li><li>Dam, J., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Tidemand-Lichtenberg, P., Pedersen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Room-temperature+mid-infrared+single-photon+spectral+imaging.">Room-temperature mid-infrared single-photon spectral imaging.</a> Nature Photonics. 6 (11), 788-793 (2012).</li><li>Pelc, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-wavelength-pumped+upconversion+single-photon+detector+at+1550+nm:+performance+and+noise+analysis.">Long-wavelength-pumped upconversion single-photon detector at 1550 nm: performance and noise analysis.</a> Optics Express. 19 (22), 21445-21456 (2011).</li><li>Mancinelli, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mid-infrared+coincidence+measurements+on+twin+photons+at+room+temperature.">Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature.</a> Nature Communications. 8 (2), 1-8 (2017).</li><li>Sua, Y. M., Fan, H., Shahverdi, A., Chen, J. -. Y., Huang, Y. -. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Generation+and+Detection+of+Quantum+Correlated+Photons+with+3.2+um+Wavelength+Spacing.">Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons with 3.2 um Wavelength Spacing.</a> Scientific Reports. 7 (1), 1-10 (2017).</li><li>Meng, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upconversion+detector+for+range-resolved+DIAL+measurement+of+atmospheric+CH4.">Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4.</a> Optics Express. 26 (4), 3850-3860 (2018).</li><li>Xia, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-range+micro-pulse+aerosol+lidar+at+1.5.+&#181;m+with+an+upconversion+single-photon+detector.">Long-range micro-pulse aerosol lidar at 1.5. &#181;m with an upconversion single-photon detector.</a> Optics Letters. 40 (7), 1579-1582 (2015).</li><li>Junaid, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mid-infrared+upconversion+based+hyperspectral+imaging.">Mid-infrared upconversion based hyperspectral imaging.</a> Optics Express. 26 (3), 2203-2211 (2018).</li><li>Kehlet, L. M., Tidemand-Lichtenberg, P., Dam, J. S., Pedersen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infrared+upconversion+hyperspectral+imaging.">Infrared upconversion hyperspectral imaging.</a> Optics Letters. 40 (6), 938-941 (2015).</li><li>Hermes, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mid-IR+hyperspectral+imaging+for+label-free+histopathology+and+cytology.">Mid-IR hyperspectral imaging for label-free histopathology and cytology.</a> Journal of Optics. 20 (2), 023002 (2018).</li><li>Hot, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+and+temporally+resolved+IR-DFWM+measurement+of+HCN+released+from+gasification+of+biomass+pellets.">Spatially and temporally resolved IR-DFWM measurement of HCN released from gasification of biomass pellets.</a> Proceedings of the Combustion Institute. , (2018).</li><li>Barh, A., Pedersen, C., Tidemand-Lichtenberg, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-broadband+mid-wave-IR+upconversion+detection.">Ultra-broadband mid-wave-IR upconversion detection.</a> Optics Letters. 42 (8), 1504 (2017).</li></ol>

作者没有什么可透露的。

脉冲激光束对齐精度对该方法的灵敏度至关重要。必须特别注意确保在 BOXCARS 板之后以相等的距离将横梁隔开, 并确保横梁在 L1 中心周围有相等的间距。偏离这一点将导致信号强度和灵敏度的显著下降。同样, 必须注意的是, 上转换模块腔是在基本模式下运行的, 信号光束是对齐的, 以便与上转换泵进行最佳重叠。如果上转换腔在错误的模式下运行, 或者信号束与空腔场重叠不理想, 则信号很容易减少一个或两个数量级。这包括放置具有毫米精度的 L3, 以便信号光束焦点位于 PPLN 晶体的中间。在具有最佳重叠和 80 W 腔功率的情况下, SFG 级的量子效率可能达到6%。与这里使用的探测器和波长, 总检测效率为3%。可达到的最大腔内功率为 120 W, 但可可靠地实现 80 W。转换效率与腔内功率成正比, 因此, 如果记录腔内功率, 则可以比较使用不同腔内功率记录的信号。
该方法灵敏度的主要限制因素是背景散射, 它淹没了微弱信号。为了限制这种散射, 光学器件必须保持无尘状态, 尤其是镜头 L1。还必须注意光束块的位置最大限度地减少背景噪声。梁块应放置在一个 xy 级, 以便它可以在水平和垂直平面上以可控的方式移动, 垂直于梁的方向。
这里讨论的扫描是用 PPLN 在恒定的温度下完成的。转换效率与 sinc (kl/ )2成正比 , 其中k是相位不匹配 , l是晶体长度。此功能的全宽半最大值 (FWHM) 是检测器在恒定的 PPLN 晶体温度下的带宽。此函数的 FWHM 随晶体温度和波长的变化而变化, 但对于20毫米长的晶体, 在中红外中一般约为5厘米-1 。例外的是近 4200 nm, 其中宽度大大增加了 18。
图 2中的设置图中没有包含缩放光学器件, 因为在决定需要什么 (如果有) 缩放之前, 需要考虑许多问题。对于此处描述的设置, 脉冲激光束在到达 L1 时被准直在约2毫米的光束直径处。这就提供了一个在大约400μm 的焦距束腰, 使用的波长为3μm。在实现此技术时, 最好更改 L1 的焦距, 这可能是因为出于实际原因需要在 L1 和焦点之间有更多的空间, 或者通过增加收敛角度来缩短测量体积, 而收敛角度可以是通过使用较短的焦距来完成。在这种情况下, 焦点处的梁腰应保持在约400微米, 准直梁应缩放以匹配。但是, 应该考虑到, 在不增加光束间距的情况下增加光束直径将增加梁块边缘的散射。空间分辨率是由泵梁的重叠给出的。对于此处描述的设置, 重叠长度为6毫米, 因此测量体积为6毫米长的圆柱体, 半径为 0.4 mm。
为了实现 PPLN 晶体中的准相位匹配, PPLN 晶体中的中红外信号和上转换腔的腔内场都必须异常极化。应建立上转换腔, 使腔内场的极化自动正确。如果中红外激光还没有与此匹配, 则可以在中红外激光输出处插入一个波板来转动偏振。
IR-DFWM 需要相对较高的能量脉冲, 1-4 mJ, 再加上足够窄的激光线宽来解析分子线, 分子线的约为 0.1cm-1。符合这些标准的激光器通常重复率较低, 由于使用 DFWM 进行数据采集通常是通过扫描激光波长来完成的, 因此这限制了测量速度。这意味着该方法最容易应用于主体不会随着时间的推移而变化的测量, 尽管它也已应用于时间解析的测量17。另一个限制是, 由于对散射光的敏感性, 测量体积内或附近的粒子会产生散射事件, 完全淹没信号17。向上转换过程的相位匹配条件是光谱窄, 这有助于消除来自热背景辐射的噪声, 但它确实使广泛波长范围内的扫描更加耗时, 因为 PPLN 温度必须进行调整, 以保持信号波长相位匹配。
IR-DFWM 的未来用途是为了探测在火焰中的 nh3, 或在更实际的环境中继续与 hcn 合作。改进方法最明显的方法是进一步减少散射光的背景。这可以在 L2 采集信号后使用信号光束的空间滤波来完成。

IR-DFWM 提供了测量红外活性物种浓度至 ppm 1级的能力, 具有空间分辨率。IR-DFWM 具有多种优点, 使其成为一种具有吸引力的燃烧研究技术。火焰可以通过插入探针而发生巨大的变化, 但 IR-DFWM 是非侵入性的。它具有空间分辨率, 因此可以测量火焰结构中不同点的物种浓度。它提供了一个连贯的信号, 可以从火焰的热发射中分离出来。此外, DFWM 对碰撞环境的敏感性不如激光诱导荧光 (LIF), 例如, 在火焰中很难确定。该技术还提供了对红外活性但缺乏可见或近可见过渡的分子物种的访问, 这些过渡可用于用其他技术测量它们。
虽然 DFWM 有许多优点, 但如果不需要其中的一个或多个优势, 替代技术可能更可取。如果不需要空间分辨率, 基于吸收的技术将更简单、更准确。如果有关分子物种在可见或近红外区域有过渡, 则 LIF 可能更可取, 因为 LIF 可以从平面而不仅仅是单个点提供空间解析的信息。在合适的条件下, DFWM 和 PS 等非线性方法也可用于单发二维测量2。这些非线性方法的信号与探针光束强度立方体成正比, 由于泵浦光束必须扩展到2D 测量的范围内, 这需要非常高的脉冲能量或高三阶磁化率的组合,高浓度, 低背景噪声工作。因此, 这是否有可能, 主要取决于分子物种。
在与 DFWM 更直接的竞争中, 还有其他四波混合光谱技术: 相干反斯托克斯拉曼光谱 (CARS)、激光诱导光栅光谱 (LIDS) 和偏振光谱 (PS)。CARS 是一种用于测量燃烧环境中的温度和主要物种的成熟技术。然而, 它缺乏检测小物种的敏感性, 因为检测极限通常约为 1%2。PS 和 DFWM 以前已被证明具有类似的灵敏度和检测极限3;然而, DFWM 的信噪比与上转换检测4相结合, 被证明增加了 500倍, 而 ps 只显示出增加了 64倍5。LIGS 具有感应光栅的优点, 使用中红外光, 但通过测量该光栅的探针激光器的折射效果, 并且可以自由选择该探针激光器的波长 6.因此, 探针激光器的波长可以在可见区域, 在那里可以获得快速、低噪声的硅基探测器。这与使用上转换所实现的优势相同。LIDS 确实有一个缺点, 那就是它对碰撞2非常敏感, 这意味着主要气体物种的浓度必须是已知的精确浓度或温度测量与 lids。如果这个问题被克服, LIDS 在大气压力3下确实对 DFWM 和 ps 都有相似的灵敏度, 但当 ligs 信号随着压力的增加而增加时, 来自 DFWM 和 ps 的信号在较低的压力下增加, 这意味着首选技术将取决于压力环境。
上转换检测是一种利用相频生成将信号从长波长转换为较短波长信号的技术。这样做的优点是, 可见光或近红外范围内的探测器比中红外区域的探测器具有较低的噪声和更高的灵敏度。这是在50年前的 7日首次调查的, 但由于转换效率低, 此后很少受到关注和使用。然而, 随着定期制备镍酸锂 (PPLN) 和其他非线性系数高的材料的生产技术的进步, 以及大功率激光二极管 (Ld) 可用性的增加, 该技术也得到了更多的应用。在过去十年中的关注, 应用涵盖了中红外单光子检测8、9、10、11、红外激光雷达12、13 和高光谱等领域。成像 14、15和显微镜16。将上转换检测与 IR-DFWM 相结合的主要优点是相位匹配条件具有窄的角度和光谱接受带, 这与热背景有很强的判别, 从而可以检测到较弱的信号。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:831px;" width="831">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:300px;">Nd:YAG laser, pulsed</td>
			<td style="width:183px;">Spectra Physics</td>
			<td style="width:165px;">Quantarau Pro-290-10</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1 (For pumping the mid-IR laser)</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:300px;">Nd:YAG laser, injection seeding system</td>
			<td style="width:183px;">Spectra Physics</td>
			<td>6350</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">NIR Dye laser - OPA system</td>
			<td style="width:183px;">Sirah</td>
			<td>OPANIR</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:300px;">HeNe laser</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>HNL100LB</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:300px;">Dichroic mirror</td>
			<td style="width:183px;">LASEROPTIK</td>
			<td>NA</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1, custom order: HR for the mid-IR, transparent for 632 nm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Protected Gold Mirrors</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-M01</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 5&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">BoxCars Plate</td>
			<td style="width:183px;">LASEROPTIK</td>
			<td>NA</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 2, Custom order</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">xy-stage</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>DTS25/M</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">500 mm focal length CaF2 lens, &#216;2&#39;&#39;</td>
			<td style="width:183px;">Eksmaoptics</td>
			<td>110-5523E</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">500 mm focal length CaF2 lens, &#216;1&#39;&#39;</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>LA5464</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">100 mm focal length CaF2 lens, &#216;1&#39;&#39;</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>LA5817</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Iris, &#216;50 mm</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>ID50/M</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">ND1 IR filter (ZnSe)</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>NDIR10B</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">ND2 IR filter (ZnSe)</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>NDIR20B</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">ND3 IR filter (ZnSe)</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>NDIR30B</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:300px;">Upconversion Detector</td>
			<td style="width:183px;">NLIR</td>
			<td style="width:165px;">NA (closest equivalent: U3055 3.0-5.5&#181;m)</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1, Custom order&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">VIS/NIR Detector Card</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>VRC2</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1, (low intensity)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:300px;">NIR Detector Card</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>VRC4</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1, (high intensity)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">MIR Detector Card</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>VRC6S</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Thermal Power Sensor Head</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td>S302C</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Power meter console</td>
			<td style="width:183px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:165px;">PM100D</td>
			<td style="width:183px;">Quantity: 1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

infrared degenerate four-wave mixing with upconversion detection for quantitative gas sensing

我们提出了一种使用红外退化四波混合 (IR-DFWM) 进行气体光谱的协议, 用于定量检测 ppm 对百分之一范围内的气体种类。该方法的主要目的是空间分辨低浓度物种的检测, 这些物种在可用于检测的可见光或近红外光谱范围内没有过渡。IR-DFWM 是一种非侵入性的方法, 它是燃烧研究中的一大优势, 因为将探头插入火焰可以极大地改变火焰。IR-DFWM 与上转换检测相结合。该检测方案利用并发频生成将 IR-DFWM 信号从中红外区域移动到近红外区域, 以利用硅基探测器的优越噪声特性。这一过程还拒绝了大部分的热背景辐射。本文介绍的协议的重点是 IR-DFWM 光学的正确对齐, 以及如何对齐腔内上转换检测系统。

图 3显示了 n2 中不同浓度 hcn 的信号, 每个浓度的平均扫描次数为三次。该混合物采用质量流量控制器, 在 n2 中与纯 n2混合 300PPM hcn, 并将其加热至 843 k。中心峰是 HCN 的1振动带的 P(20) 线。图 3中的插入显示了来自这条线的信号在每个浓度下的峰值, 具有二度多项式拟合。信号的浓度依赖性可以用s = ax2 + b来描述, 其中s是信号, a和b是拟合常数17。火焰中的绝对浓度测量需要在已知温度下进行校准测量, 以确定常数a。火焰中测量体积中的温度也必须测量为与温度相分的常数;关于这一点的充分讨论已经发表了。用于此测量的抛光周期为21.5 微米, 晶体温度为104.5°c。
图 4显示了预混火焰的原始数据。它显示了五次连续扫描范围329.5-3232 厘米-1, 每次扫描约65分。这些水线包括三组, 用于温度测量。理想情况下, 在使用稳定的系统时, 相同范围内的每次扫描都应相同, 因为浓度、压力和温度应保持不变。这里看到的线的强度从扫描到扫描都有很大的变化, 这是因为激光脉冲模式和能量从扫描到扫描都不稳定。这样的结果是无法使用的, 除非激光脉冲能量已被记录, 并可用于对测量值进行排序, 其余的都有足够的激光脉冲能量。用于此测量的抛光周期为 21.5μm, 晶体温度为123°C。
在图 4中, 没有看到背景散射, 因为使用了 ND2 滤波器来减少信号, 以避免探测器饱和。对于较弱的信号, 发现背景散射在每脉冲 5 pj 左右, 这对应于在室温下从1的 P(20) 线产生的信号, 该波段为 100 PPM hcn。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig1.jpg"> 图 1:上转换检测器的示意图。U1-u7 和 UH 是镜子, 高反射 (HR) 涂层, 1, 064 纳米。所有的镜子都是平面的, 除了 U3, 它有一个200毫米的曲率半径。镜面 U1-u5 被制作成在激光二极管的波长上传输, 以确保 LD 光不会到达探测器。U6 是为向上转换的信号, 650-1050 nm 传输。U7 是为中红外信号传输的。UH 是95% 的反射 1, 064 纳米和5% 的透射。从 U1 到 U3 的路径长度为156毫米, 从 U3 到 U7 的路径长度为 202 mm, L4 和 L5 分别是60毫米和75毫米焦距的无色透镜。两者都是透明的650-1050 纳米。用作探测器的相机放置在距离 L5 75 毫米的地方。空腔场是垂直极化的。此处使用的 PPLN 具有21.0 微米、21.0 微米、21.0 微米、21.0 mm 和21.0 微米的抛光周期, 晶体长度为 20 mm。所使用的可见光和近红外探测器是 ids 成像开发系统的 UI-5240CP-NIR-GL 摄像机。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig1large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig2.jpg"> 图 2: dfwm 设置的关系图.M1 是一种在脉冲激光波长下具有高反射率 (HR) 的介电镜。M2 是一种介电镜, 在脉冲激光的波长下为 Hr, 并可用于 HeNe 导束。M3-m6 是受保护的金镜。B.C.1 和 B.C.2 是 BOXCARS 板1和2。L1 是一个500毫米焦距 Caf2镜头, 直径5.1 厘米。L2 是一个500毫米焦距 CaF2镜头, 直径为2.54 厘米. l3 是一个100毫米焦距 caf2镜头。脉冲激光是垂直极化的。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig2large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig3.jpg"> 图 3: 来自 n2 中不同浓度 HCN的信号.中心峰是 HCN 的1振动带的 P(20) 线。插入物显示每个浓度 (钻石标记) 的峰值信号, 具有二阶多项式拟合。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig3large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig4.jpg"> 图 4: 每次扫描持续5次扫描, 持续时间约为 65秒, 在预混火焰中完成.激光在 3229.5-3232 厘米-1的范围内被扫描。这里看到的峰值是来自多个 h2o 过渡线集合的信号。使用 ND1 和 ND0.6 滤波器减少信号, 以避免检测器饱和。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig4large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig5.jpg"> 图 5:从侧面看到的箱卡板.它是一块透明的材料。在输入端, 它在一半的表面上涂上了防反射涂层。激光束进入这里并到达输出端, 在那里, 一半的表面被涂覆, 以获得50% 的透射。然后将内部反射在板材中的光折射到涂层的输入侧部分, 以实现高反射, 并通过输出侧的上半部分反射。这将一根光束分成两个平行的光束。用分束器和镜子也可以达到同样的效果, 但分束器会从后表面产生一定的反射, 这可能会增加背景噪音。此外, BOXCARS 板不需要对齐, 以确保产生的两个光束是平行的。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig5large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig6.jpg"> 图 6:内功率作为泵浦激光二极管电流的函数, 用于上转换模块.每个点都是从腔的三个独立对齐测量的功率的平均值, 误差条表示不同对齐之间的扩散。与理想激光行为的偏差是由激光晶体和 PPLN 晶体中的热效应引起的。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig6large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>

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

在这里, 我们提出了一个协议, 执行敏感的, 空间分辨的气体光谱在中红外区域, 使用退化四波混合结合向上转换检测。

用于定量气体传感的红外退化四波融合与上转换检测

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

我们的协议的意义是，它降低了检测极限，使得研究其他方法无法达到的次要物种的浓度成为可能。该技术的主要优点是增加了上转换模块，它绕过了大部分背景噪声。使用检测过程中使用的 up 转换设置。首先公开设置中的内部元素。激光二极管和晶体产生1064纳米光束。一系列镜子通过 PPLN 晶体引导光束，然后返回。来自外部的中红外光束也穿过晶体。两束产生一个向上转换的信号，从 PPLN 晶体中退出并进入探测器。此示意图提供了设置的概述。激光二极管使用的晶体是新钻石，是正畸。符号 U1 到 U7 是高度反射在 1064 纳米的镜像。在激光二极管的波长下，U1 到 U5 的反射镜高度透射。镜像 U6 在上转换信号范围内是透射的。镜像 U7 是中红外信号的透射信号。镜像 U3 的曲率半径为 200 mm。其他镜子是平的。在喜剧安装上使用平面镜建立对齐腔。将镜子放在激光介质前面，用作端镜。将支座的角度在水平和垂直方向上转向极端位置。接下来，在镜子 U2 前放置红外敏感光束卡。还要从支架上取下 PPLN 晶体。此示意图中描述了该排列。端镜用 UH 表示。以大约三分之一的最大输出启动激光二极管。对齐型腔，重复以下步骤。改变端镜的角度，水平方向正向 2 度。然后将镜子的垂直角度从一个极端扫到另一个极端。在进行此检查时，请观看红外卡中来自对齐腔的光束。在端镜的某种水平角度下，在垂直角度的扫描过程中，型腔将开始打懒，这可以在红外卡上看到。当型腔打盹时，在调整镜面角度以实现更高的功率和降低驱动电流之间交替。最后，要有电源，以便离开镜子的光束很容易通过红外卡看到。现在，取出红外卡并开始调整其后面的镜像 U2。调整镜面，使对齐光束从镜面 U3 的中心反射到。调整镜像 U3 的角度，使光束继续沿所需的路径居中以镜像 U7。确保光束以适当的高度穿过 PPLN 支座，并且该支座将垂直于晶体表面。接下来，删除钛窗口，并在 U7 后面放置红外卡。在此位置，红外卡会因红外光束离开腔而发荧光。现在调整 U7 的角度，沿对齐光束的路径进行反射。监控传输光束的红外卡，并设置镜面的角度以最大化输出。继续将 PPLN 晶体安装在安装中，使光束穿过其通道之一。检查红外卡上是否仍然可见光束。如果是这样，请调整 U7 以在继续之前最大化输出。此时，关闭激光二极管并拆下端镜。在输入时将 750 纳米长通滤波器连接到上转换设置。将功率计放在过滤器后面。激光二极管全功率时，调整 U2 和 U7 的角度以最大限度地提高功率。然后用高功率红外卡更换功率计。使用卡，检查腔是否以基本加利西亚模式运行。根据需要调整镜像 U7。完成后，拆下过滤器并重新连接钛窗口。继续对齐红外退化四波混合设置。该装置包括脉冲激光器、氦霓虹灯激光器以及反射镜和透镜，可将光束引导至组装的上变电探测器的输入。初始设置在此示意图中。氦霓虹灯激光器提供导光束。使用镜 M3 和 M4 将导光束与镜头 L1 对齐。调整后视镜，使光束击中镜头 L1 的中心。在镜子 M4 和镜头 L1 之间插入箱车板。将它放在水平梁的 45 度垂直角度。确保该布置产生两个输出梁。在第一个箱车牌照之后插入第二个箱车板。从输出梁以 45 度水平角放置。确保其输出有四根梁。接下来，将箱车板的角度调整为形成方形角的四个输出梁。调整镜头 L1，直到光束在其中心周围均等。现在，在横梁的路径上放置虹膜。排列光圈以阻挡三个泵束，并允许信号束通过。此示意图表示此时的系统状态。接下来的步骤将涉及镜头 L2 和后视镜 M5 和 M6。要合二为一光束，请使用脉冲激光波长的焦距对齐镜头 L2。然后定位镜像 M5 和 M6，使导波束定向到上向转换探测器的输入窗口，而该窗口应位于其中。将镜头 L3 与 PPLN 晶体中心的距离为一焦距。拆下探测器的铀窗口以继续。这样做允许 1064 纳米光束退出上转换模块。接下来，开始使用镜像 M6 将光束从探测器上移动，并把它带到信号束上，以便它们在镜头 L2 上重叠。使用镜面 M5 将导波束移动到 L3 的 1064 纳米光束上。当 1064 纳米光束和导向梁遵循相同的路径时停止。将铀窗口重新连接到上转换模块。然后在探测器前面放置多个中性密度滤波器，以保护其免受脉冲激光的照射。打开脉冲激光器，并确保其与导束重叠。现在，将要测量的气流或火焰放在镜头 L1 的焦点。这种测量将涉及在氮气中稀释的甲烷的流动。检查探测器上是否可见信号。根据需要调整中性密度滤波器。如果有信号，则通过调整镜像 M5 和 M6 来最大化其平均强度。继续，在转换阶段用光束块阻挡信号束。然后拆下探测器前的中性密度过滤器。最初，由于光线散射到探测器中，可能有信号。使用平移阶段调整梁块的位置，以减少这种散射。当由于光散射导致的信号尽可能减少时，继续。下一步是打开气流，以便开始测量。然后，通过用脉冲激光正确触发上变函数探测器并扫描感兴趣的波长范围来收集数据。这些数据是氮气中五种不同浓度的氰化氢。每个点表示每个浓度的三次扫描的平均值。中心峰是氰化氢NU1振动带的P20线。此处的点是测量的峰值，作为浓度的函数。虚线适合二度多项式。在这种情况下，数据显示连续扫描从预混合火焰。每次扫描大约 65 秒，并覆盖相同的波数范围。从扫描到扫描的强度变化是因为激光脉冲模式和能量不稳定。没有单步是最重要的，但如果测量需要可比性，则每次对齐时必须具有相同的高度位置。学习通过试验和错误来调整这个设置会浪费很多时间，这就是为什么我要演示这个过程，以便人们能够避免陷阱。上转化模块的引入使我们能够检测出小颗粒气化中小物种氰化氢的释放。该协议包括使用四类激光器，以及可能使用易燃气体，并且必须始终遵循适当的安全措施。

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