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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ホライズン 2020 年欧州連合の範囲内で著者によって受け取った資金は高く評価されています。マリー キュリーは中間技術の革新的な訓練ネットワーク [H2020 MSCA ITN 2014-642661-] の一部としてこの作業を行った。

アップコン バージョン検出器のセットアップは図 1に示すようにミラー、レンズ、またはプロトコルで参照されているその他の光学系は、ここで、図 2に示すように IR 信号セットアップの図が識別されます。プロトコル セクションは主にこのメソッドに使用される光のセットアップを合わせて扱うし、プロセスを実行中のすべての機器をオフに任意の時点で一時停止できます。すべてのミラーが手動で調整されます。ここでカメラを制御するソフトウェアは使用、LD はアップコン バージョン検出器とともに救われました。ソフトウェアの使用は、プロトコルの最後で説明します。
1. アップコン バージョン
<ol><li>図 1に示されているように UH、アライメント腔のエンド ミラーを配置します。</li>
	<li>結晶マウントから PPLN 結晶を削除します。</li>
	<li>赤外線に敏感なカード (1,064 で機密性の高い nm) の位置は、図 1を参照してください。</li>
	<li>UH を水平方向と垂直方向の両方の極端な位置に保持している運動学的マウントの角を します。その後、最大出力の約 1/3 LD をオンに。</li>
	<li>とおり配置空洞に合わせます。<ol>
<li>+0.2 度水平方向に UH の角度を変更します。</li>
		<li>アライメントの空洞からビームの IR カードを見ながら UH の垂直方向の角度を 1 つの極端から他に掃除しなさい。</li>
		<li>キャビティ発振が開始されるまでは、1.5.1 と 1.5.2 の手順を繰り返します。</li>
		<li>アライメント キャビティを発振、高電力 UH の角度を調整して切り替える LD 駆動電流を削減します。LD の次元配置キャビティよりもはるかに高い損失を持つ完全な空洞を駆動します。UH を残してビームは、IR カードと簡単に目に見えるが、それ以上力を維持します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>赤外線カードを取り外します。</li>
	<li>線形梁は U3 センター (図 1) に反映されますので、U2 の角度を調整します。 注: 配置の空洞からビームは中心で U2 を打つ必要があります。</li>
	<li>ビーム U4、U5、U6 を続け、U6 から U7 に反映されますので、U3 の角度を調整します。</li>
	<li>ビーム PPLN 結晶のチャネルの中間の高さで PPLN マウントを介して渡す必要があり、結晶の表面に垂直なを入力する必要があります。穴を通ってレベルと中心ビームを保つために U3 を調整しながら高さと角度を修正する U2 を使用して x と y。</li>
	<li>ゲルマニウム ウィンドウを削除し、空洞を残して赤外線ビームがカードをヒットし、蛍光、空洞を合わせ人に見えません U7、背後にある IR カードを配置します。 注: 位置合わせ梁今、PPLN を通過するがマウントし、U7 をヒットします。</li>
	<li>U7 からの反射に戻って配置はりのパスに沿って渡すようにする、U7 の角度を調整します。U7 の角度を調整しながら IR カードにビームを監視します。ビームを見ていると、出力を最大に U7 の角度を調整します。</li>
	<li>マウントで PPLN をマウントします。マウントは、そのビーム結晶内のチャンネルの 1 つを介して配置されますを確認します。</li>
	<li>サブステップ (ステップ 1.13.1、1.13.2、または 1.13.3) は、現在の状況と一致します。<ol>
<li>赤外線ビームがまだ目に見える U7 を終了する場合、調整 U7 の出力を最大化し、次の手順に進みます。</li>
		<li>U7 を終了する赤外線ビームが表示されなく最大出力の 3 分の 1 に現在の LD を高め、赤外線ビームを見ることができるかどうかはチェックしてください。ビームが表示されて場合手順 1.13.1; に進みますそうでなければ、手順 1.13.3 に進みます。</li>
		<li>以前のレベルとトレース チャネルの 1 つの中心に PPLN を通過してガイド線を現在の LD を減らします。それがない場合をステップ、1.7 からマウントで PPLN を繰り返します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>LD をオフに、ええとを外し、B の位置に LP750 フィルターを取り付けます (図 1参照)。</li>
	<li>U7 の背後にある電源メーターが IR カードでビームをチェックするためのスペースを残します。フルパワーで LD まで入れます。</li>
	<li>電源メーターの信号も表示されない場合、小さい角度を変更 U7、パワー メーターに信号を見ながら。信号がある場合次の手順に続行します。それ以外の場合、1.1 の手順に戻る。</li>
	<li>キャビティは基本的なガウス モードで実行されていることを確認する高出力赤外線カードを使用している間、力を最大限に U2 と U7 の角度を調整することで共振器の配置を最適化します。 注意: それは高次モードのより高い力を得ることは可能かもしれない、レーザーが基本のモードで実行されている変換効率のため重要です。</li>
	<li>空洞が基本的なモードで実行されていない場合それ実行されます高次モードで複数の葉が IR カードに表示されます。葉がまとめに近い IR カードに合流するまで、U7 をオンにします。</li>
	<li>U7 の出力を記録します。これと U7 の伝送を使って共振器内のフィールドを計算します。この値を図 6の検量線を比較します。</li>
	<li>空洞が最適化されているときは、LP750 フィルターを削除し、ゲルマニウム ウィンドウを接続し直します。</li>
</ol>2. IR 信号配置
注: は、退セットアップの図は、図 2を参照してください。
<ol><li>M3 と M4 L1 に M4 から水平になる中央の L1 を押して HeNe レーザー ビーム (梁のガイド) を合わせます。</li>
	<li>ビーム (垂直方向) に 45 ° の角度で BOXCARS プレート 1 を挿入し、ビームを通過、2 つの出力ビームを作り出します。</li>
	<li>ビーム (水平方向) に 45 ° の角度で BOXCARS プレート 2 を挿入し、ビームを通過、4 つの出力ビームを作り出します。梁の間隔が正方形のコーナーのようなので、プレートの角度を調整します。</li>
	<li>梁を等間隔でレンズの中心までは、L1 の位置を調整します。</li>
	<li>セットアップの残りの部分に合わせて使用できるように今のところ、ブロック解除ビーム ブロックによってブロックされているビームの経路に沿って生成される信号光を残します。場所ため、3 つのポンプをブロック アイリスの梁 4 ビーム、信号光を通過をことができます。</li>
	<li>信号光を平行光は、L2 を合わせます。これを行う必要があります目視検査では、パルス レーザーの波長で焦点距離を使用して焦点距離ガイド ビームと半ば赤外線の波長の異なるだろうと</li>
	<li>ガイド線はアップコン バージョン検出器と入力ウィンドウに垂直入射窓を中心としたように、M5 と M6 を配置します。</li>
	<li>PPLN の中心から L3 1 つの焦点距離の光学距離を置きます。ゲルマニウム ウィンドウ、共振器ミラーおよび PPLN 自体の屈折を考慮すると。</li>
	<li>アップコン バージョン モジュールを設定し、(セクション 1 を参照) をオンにします。</li>
	<li>アップコン バージョン検出器ゲルマニウム ウィンドウを削除します。これはアップコン バージョン モジュールを終了する 1064 ビームをできるようになります。</li>
	<li>M6 を使用して、L2 で重なるので、信号光に 1064 ビームを移動する、L3 で 1064 ビームにガイド線を移動する M5 を使用 HeNe レーザ光とアップコン バージョン検出器から 1064 ビームが重複します。ガイドのビームまで 2 つのミラー間の代替し、1064 同じパスに従います。</li>
	<li>ゲルマニウム ウィンドウを接続し直します。</li>
	<li>ビーム光路、アップコン バージョン検出器の前にいくつかの ND フィルターを配置します。高エネルギーが検出器を損傷する可能性がありますは、アップコン バージョン検出器にパルス レーザーから減衰していない梁としないように細心の注意を取る。</li>
	<li>パルス レーザーをオンにし、安定的かつ適切なエネルギー パルスあたりでそれが実行されていることを確認します。</li>
	<li>パルス レーザーとガイド線がとおり重複します。<ol>
<li>パルス レーザーと重なるビームコンバイナ (M2) でガイド線までは、M1 の角度を調整します。</li>
		<li>パルス レーザー ガイド光の伝搬方向に反映されているので、M2 の角度を調整します。</li>
		<li>ビーム合成時と 1 m、2 m、3 m の距離でビームが重なっていることを確認します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>L1 後ビームの焦点を見つけます。ガスの流れや測定ポイントがビームの焦点ポイント測定に炎を配置します。</li>
	<li>時間ゲート検出するアップコン バージョン検出器にパルス レーザーからトリガー信号を接続します。時間遅延とゲートの時間が知られていない場合時間ゲートの長い期間で始まり、それを絞り込む、信号が認められるとき。</li>
	<li>セットアップ、特に BOXCARS プレート、誤った反射を検索し、ブロックされていることを確認します。</li>
	<li>とおりアップコン バージョン検出器における信号光の配置を最適化します。<ol>
<li>信号が検出器に表示されている場合は、信号を最大にするには、M5 と M6 を調整します。</li>
		<li>信号を検出器上に表示しない場合は、1 桁でフィルター ND を減らします。信号が見られるまでを繰り返します。</li>
		<li>検出器の信号が飽和すると場合、は、ND の一桁によるフィルタ リングを増やします。信号はもはや飽和状態まで繰り返します。</li>
		<li>M5 と M6 を調整することによって、信号を増加もはやことができるまでの手順 2.19.1-2.19.3 を通過します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>図 2に示すように信号光をブロックするように、ビーム ブロックを配置します。その後、ND フィルターを削除します。</li>
	<li>検出器は、すべての散乱 (雑音) を軽減するビーム ブロックの位置を調整します。ビームを誤って解除しパルス レーザーからの光を直接に検出器を公開しない細心の注意を取る。</li>
	<li>ガスの流れや測定する炎を準備します。次に、検出器からの信号を記録しながら、関心の波長範囲にわたってパルス レーザーをスキャンします。これはビームのオーバー ラップでガス組成と一致するスペクトルが生成されます。</li>
</ol>3. レーザー ダイオード ソフトウェア
<ol><li>LabVIEW プログラムAuroraOne control.viを実行します。</li>
	<li>位置にレーザー テックを有効にするボタンをクリックし、 RW/TW 安全ボタンをオフをクリックします。</li>
	<li>マイクロワットTA セット ポイントフィールドに目的の値を入力して、現在レーザーを設定します。レーザーの実行中に、新しい値を入力すると、現在が調整されます。</li>
	<li>レーザー ダイオードを現在の位置にTA を有効にする] ボタンをクリックします。</li>
	<li>オフにレーザー ダイオードTA を有効にするとオフの位置にレーザーのテックを有効にする] をクリックします。</li>
</ol>4. ID イメージング開発システム
<ol><li>LabVIEW プログラムUpconversionControl.viを実行します。</li>
	<li>タブの設定から、露光時間 (秒)] フィールドに値を入力することによって 8 μ s にシャッター スピードを設定します。</li>
	<li>設定のタブの下欄ID シャッターでグローバルにシャッター タイプを設定します。</li>
	<li>[ DBG] タブ、 ID トリガーフィールドのLo_Hiにトリガーの種類を設定します。</li>
	<li>DBG2のタブの下には、欄ID トリガー遅延 (μ s)でトリガー遅延を設定します。トリガー パルスとパルス レーザーからの遅延により異なります。</li>
	<li>[設定] タブ、[96 ピクセルに、 x オフ設定とオフ設定 yを 480 ピクセルと、幅と高さを設定します。</li>
	<li>設定のタブの下を 0フレーム レートフィールドでのフレーム レートを設定する.これは、トリガー信号毎に 1 フレームを取るためにカメラを設定します。</li>
	<li>集録の開始ボタンを押して、カメラの電源を。</li>
	<li>信号はアップコン バージョン検出器に入ったら、信号は LabVIEW プログラムの右上の画像の真ん中に明るいスポットとして表示されます。信号周りの 6 x 6 ピクセルの四角形を描画するのにイメージの横に左バーのRect関数を使用します。</li>
	<li>[履歴] タブの下の時間の関数として選択されたピクセルの平均強度を表示します。必要に応じて、グラフを右クリックして選択をクリアしてクリアできます。</li>
	<li>カメラから新しい画像の取得を停止する停止取得ボタンを押します。</li>
	<li>強度プロットを右クリックしてデータをエクスポート、データにコピーを選択し、 .txtファイルにデータを貼り付けます。</li>
	<li>シャット ダウンボタンを押すとカメラと制御プログラムをオフにします。</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. -. 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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. 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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>

著者が明らかに何もありません。

パルス レーザー光の位置合わせの精度は、方法の感度に不可欠です。BOXCARS プレートの後、梁に等しい距離で区切らし、L1 の中心の周りの間隔、梁が均等にであるようにする特別な注意が必要です。これからの偏差は信号強度になり感度の大幅な低下につながります。アップコン バージョン モジュール キャビティは基本的なモードで実行されていることと、信号光はアップコン バージョン ポンプに最適な重複の整合している同様に、注意が必要です。アップコン バージョン空洞が誤ったモードで実行されている場合は空洞フィールドを持つ信号のビームのオーバー ラップも最適です簡単に 1 つまたは 2 つの一桁によって信号を削減できます。これはミリの精度で L3 配置をする信号ビームの焦点は、PPLN 結晶中に含まれています。最適なオーバー ラップと共振器の電力の 80 W、SFG ステージの 6% の量子効率が可能です。ここで使用される波長検出器、検出効率は 3% です。達することができる最大の共振器内電力は 120 W、80 W を確実に達成することができますが。共振器内力が記録されている場合、異なる共振器内の力で記録された信号を比較できるように、変換効率は共振器内乗に比例。
本法の感度の主な制限要因は背景の散乱は、弱い信号を溺れです。この散乱を制限するには、それは重要な光学系は、ほこりを保持、特にレンズ L1。ケアはまたビーム ブロックの位置がバック グラウンド ノイズを最小限に抑えること取られなければなりません。ビーム ブロックは両方水平および垂直平面上に、ビームの方向に垂直な制御された方法で移動することができますように、xy ステージに配置必要があります。
ここで説明したスキャン一定した温度で PPLN で行われます。変換効率は sinc 関数 (ΔkL/2π)2, Δkは、位相のずれがあり、 Lは結晶の長さに比例。この関数の完全な幅半分最大 (半値幅) は定数 PPLN 結晶温度検出器の帯域幅です。この関数の半値幅は結晶温度と波長を変更が、5 cm-1中赤外、20 mm 長い結晶のための順序は一般に。例外は 4,200 近く、幅が増して大きく18nm。
拡大縮小光学系が含まれていませんの図 2でセットアップ図であれば、スケーリングが必要な場合、何を決定する前に考慮する問題の数があるので。セットアップは、ここで説明した、パルス レーザー ビーム平行光に 2 mm のビーム径で L1 に達したとき。これは、3 μ m の波長を使用して、約 400 μ m の焦点でビーム ウエストを提供します。実用的な理由から、L1 と焦点の間より多くのスペースを必要とするため、いずれか L1 の焦点距離を変更するまたはできます収束角度を増やすことによって測定量を短くことが望ましいであろうこの手法を実装すると、短い焦点距離を使用して行われます。この場合、焦点位置でビーム ウエストは約 400 μ m に保つ必要がある、平行光を一致するようにスケーリングするか。それは必要があります、しかし、梁の間隔を増やすことがなくビーム径を増加はビーム ブロック エッジから散乱を増加するアカウントに取られます。空間分解能は、ポンプ光の重なりによって与えられます。セットアップは、ここで説明した、重複は 6 mm 長く、測定体積は半径 0.4 mm と 6 mm のシリンダー。
擬似位相整合 PPLN 結晶を達成するには、中赤外信号とアップコン バージョン キャビティの共振器内のフィールドは、PPLN 結晶中で非常に偏光する必要があります。アップコン バージョン空洞共振器内のフィールドの分極は自動的に右、構築してください。中赤外レーザー既に一致しないこの場合、偏波を有効にする出力中赤外レーザーで、波長板を挿入できます。
IR 退は、比較的高エネルギーを必要とする 1-4 mJ のパルス併用狭い、およそ 0.1 cm-1分子線を解決する十分なレーザーの線幅。一般にこれらの条件に一致するレーザー低反復率を有し信号をデータ集録は、レーザーの波長をスキャンすることによって行われます通常、これは測定速度を制限します。つまりそれは、一時的解決の測定17にも適用されていますが、測定対象を時間をかけて、変わらないメソッドを最も容易に適用されます。別の制限は、散乱光に感度のため、粒子または測定ボリューム近くが完全におぼれる信号17散乱イベントを作成すること、です。アップコン バージョン処理の位相一致条件がスペクトル狭熱背景放射からのノイズを排除するのに役立ちますが、それはスキャン広い波長範囲で ppln を用いた温度を保つために調整する必要がより時間のかかる、信号波長位相整合します。
IR 信号の将来の使用検出 NH3 、炎または HCN により実践的な環境での作業を継続する予定です。方法の改善に最も明白な方法は、さらに散乱光からバック グラウンドを減らすことです。これが L2 によって収集された信号は、信号光の空間フィルタ リングを用いたします。

IR 退は、ppm レベル1、空間分解能に IR 活性種の濃度測定の機能を提供します。IR 退には、燃焼研究のための魅力的な技術は、いくつかの利点があります。プローブの挿入によって炎を大幅に変更できますが、IR 信号は非侵入。空間分解能それで、火炎構造の異なるポイントで種の濃度を測定することができます。炎の熱放射から分離することができますコヒーレント信号を提供します。また、退は炎の判断が難しいことができる衝突環境よりも、例えば、レーザー誘起蛍光 (LIF) に敏感です。技術は他の技術でそれらを測定する使用ことができます不足表示するか表示近くの遷移が有効である IR の分子種へのアクセスも提供します。
退には、いくつかの利点がありますが、代替技術はこれらの利点の 1 つ以上が必要ない場合は望ましいかもしれないです。空間分解能が必要ない場合吸収ベースの技術はより簡単より正確になります。問題の分子種は表示または近赤外領域での画面切り替えできる場合 LIF が一点だけではなく、平面から空間的解決情報を提供できるよう LIF は望ましいかもしれない。適切な条件の下では、シングル ショットの 2D 測定2退や PS などの非線形方法を使用できます。これらの非線形方法の信号が乗、プローブ光の強度に比例して、ポンプ光は、2 D の測定領域をカバーする展開する必要があります、これは非常に高いパルス エネルギーまたは三次の高い感受性の組み合わせのいずれかが必要です。高濃度と低雑音動作するように。したがって、主にかかって分子種これは可能性があるかどうか。
退との直接対決、他 4 波混合-ベース分光技術がある: コヒーレント ・ アンチストークス ・ ラマン分光法 (車)、レーザー誘起グレーティング分光法 (LIGS)、および偏光分光 (PS)。車は、測定温度と燃焼環境の主要な種の確立された手法です。しかし、検出限界は通常約 12マイナーな種を検出する感度を欠いています。PS、退は以前似たような感性を持っている示されているし、検出限界は3;ただし、信号の信号対雑音比は、500 PS は5でのみ 64-fold の増加を示している間アップコン バージョン検出4と組み合わせた場合の要因によって増加する示されています。LIGS 中赤外光を用いて、回折格子を誘発するという利点がありますが、この格子のプローブ レーザーの屈折による効果を測定し、自由に6このプローブ レーザーの波長を選択することができます。プローブ レーザーの波長は、したがって、高速、低ノイズのシリコン ベースの検出器があります、可視領域であります。これは、アップコン バージョンを使用して達成される同じ利点です。LIGS は、衝突2、正確な濃度や LIGS を用いた温度測定のため主要なガス種の集中が知られていなければならないことを意味するに非常に敏感だという欠点があります。その問題を克服する場合 LIGS は大気圧3退と PS の両方に似たような感性を持っているが、LIGS 信号、圧力の増加とともに増加、低い圧力で退と PS からの信号増加優先を意味します。技術は、圧力環境に依存します。
アップコン バージョン検出、和周波発生を用いた短いもの長い波長からの信号に変換する技術です。この方法の利点は、可視や赤外の範囲で探知機中赤外領域で低ノイズと相手よりも高い感度があることです。これは 5 年前調べた最初7、しかし、非常に小さな注意を見て、以来、低変換効率のため使用します。しかし、周期分極反転リチウムの生産技術の進歩と高非線形係数、同様レーザ ダイオード (Ld) 技術の可用性の向上を集めているニオブ酸 (PPLN) 等増加過去 10 年間の中赤外単一光子検出8,9,10,11, IR ライダー12,13, とハイパー スペクトルなどの分野のアプリケーションに注目14,15と顕微鏡16をイメージングします。IR 退でアップコン バージョン検出を組み合わせることの主な利点は、位相一致条件が弱い信号の検出を許可する熱の背景を大きく差別狭い角度およびスペクトル受諾のバンドであることです。

<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

Ppm-シングル % 範囲内のガス種の定量的検出赤外線縮退四光波混合 (IR 光物性) を使用してガス分光法を実行するためのプロトコルを提案します。このメソッドの主な目的は検出に使用できる表示または近赤外スペクトル範囲で転移のない低濃度の種の空間分解検出です。IR 退は燃焼研究の大きな利点である非侵入型メソッド挿入として炎にプローブすることができますそれ大幅に変更します。赤外線信号は、アップコン バージョン検出と結合されます。この手法は、中赤外からシリコン ベースの検出器の優れたノイズ特性を活用するのに、近赤外領域に IR 信号信号を移動するのに和周波発生を使用します。このプロセスはまた熱の背景放射のほとんどを拒否します。ここで提示されたプロトコルの焦点は、IR 退光学系の適切なアライメントと共振器内のアップコン バージョン検知システムを配置する方法です。

図 3は、N2、各濃度の 3 つのスキャンを平均したシアン化水素濃度の異なるからの信号を示します。混合物は混合の 300 ppm を使用して純粋な N2 N2の HCN が質量流量コント ローラーと 843 K に加熱することによって準備されました。中央のピークはシアン化水素の ν1振動バンドの P(20) ラインです。図 3の挿入は、第二度房多項式フィットを各濃度のこのラインから信号のピーク値を示しています。信号の濃度依存性を記述するS = ax2 + b、ここでSは信号、 aとbは定数17を合っています。炎の絶対濃度測定定数を決定するここでは、知られている温度を示すように、キャリブレーション測定が必要です。定数、温度のスケールとして、炎の測定量の温度を測定も必要があります。これの十分な議論はすでにされて公開された17。この測定に使用されるポーリング期間は 104.5 ° c. の温度の結晶の 21.5 μ m
予混合火炎からの生データを図 4に示します。範囲 3229.5-3232 cm-1、約 65 を取ってスキャンごとに 5 つの連続したスキャンを示しています s。温度測定に使用される給水のカバー 3 群。理想的には、安定したシステムを扱うとき同じ範囲にわたって各スキャン必要があります、濃度・圧力・温度が変更できませんする必要があります。ライン見られるここで変更の強度大幅にスキャンからスキャンするであるレーザー パルス モードとエネルギーがないため安定したスキャンします。このような結果は、レーザー パルス エネルギーが記録されている残りの部分から十分なレーザー パルス エネルギーと測定の並べ替えに使用することができますしない限り、使用できません。この測定に使用されるポーリング期間が 21.5 μ m、123 ° C の結晶温度
図 4、ND2 フィルター検出器の飽和を避けるために、信号を減らすために使用されていたために背景の散乱は見られない。弱い信号のため室温で 100 ppm シアンの ν1振動バンドの P(20) ラインから発生する信号に対応するパルス当たり 5 pJ 程度背景の散乱であるが発見されました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig1.jpg"> 図 1:アップコン バージョン検出器の図。U1 U7 と UH は、反射率の高いミラー (HR)-コーティング 1,064 nm。すべてのミラーは、U3 は、曲率の半径は 200 mm を除いて、飛行機です。ミラー U1 U5 は、レーザー ダイオード、LD 光が検出器に到達していないことを確認するための波長で透過型に作られました。U6 はアップ コンバートされる信号は、650 1,050 nm 透過型です。U7 は中赤外信号を透過します。ええと、95 %1,064 nm の透過型 5% 反射します。U3 の U1 からパスの長さは 156 mm、U7 に U3 からパス長は 202 mm。 L4 と L5 は、それぞれ 60 ミリメートルと 75 ミリメートルの焦点距離と色消しレンズ。両方とも 650 1,050 nm の透明。検出器として使用されるカメラは、L5 から 75 mm が配置されます。空洞フィールドは垂直偏波します。ここで使用される PPLN は 21.0 μ m、21.5 μ m、μ m 22.0、22.5 mm および 23.0 μ m 期間をポーリングと結晶の長さは 20 mm です。使用される可視・近赤外検出器は ID イメージング開発システムから UI 5240CP NIR GL カメラです。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig2.jpg"> 図 2:退セットアップの図。M1 は、パルス レーザーの波長を誘電体ミラー高反射 (HR)。M2 がパルス レーザーと HeNe ガイド ビームの透過波長で人事をする被覆誘電体ミラーです。M3、M6 は、ゴールド ミラーを保護します。B.C.1 B.C.2 は、BOXCARS 板 1 と 2。L1 は 5.1 cm 径 500 mm 焦点距離 CaF2レンズです。L2 は、直径の 2.54 cm。 L3、CaF2焦点距離 500 mm のレンズは 100 mm の焦点距離の CaF2レンズです。パルス レーザーは垂直偏波します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig3.jpg"> 図 3: N2シアン化水素濃度の異なるからの信号します。中央のピークはシアン化水素の ν1振動バンドの P(20) ラインです。はめ込みは、合わせて 2 次の多項式と各濃度 (ダイヤモンド マーカー) からのピーク信号を示しています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig4.jpg"> 図 4: Ca. 65 s 予混合火炎で行わスキャンごとの実行時間の 5 つの連続したスキャンします。レーザーは、3229.5-3232 cm-1の範囲でスキャンされました。ここに見られるピークは、H2O 遷移行のいくつかのコレクションからの信号です。信号は検出器の飽和を避けるために、ND1 と ND0.6 フィルターと減少しました。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig5.jpg"> 図 5: A BOXCARS プレート側から見たします。それは透明な材料のブロックです。入力側の表面の半分に反射防止コーティングでコーティングされています。レーザー ビームはここに入るし、50% 透過の半分の表面をコーティングする、出力側に達する。プレートの内部で反射された光は、入力側の高反射のコーティング部に屈折し、出力側の上半分が反映されます。これは 2 つの平行ビームに 1 本のビームを分割します。ミラーとビーム ・ スプリッターと同じ効果を達成できるが、ビーム ・ スプリッターがバック グラウンド ノイズを増やすことができる後部の面からいくつかの反射。また、BOXCARS プレート必要ように生成される 2 つのビームの並列配置はありません。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig6.jpg"> 図 6:ポンプ レーザー ダイオード アップコン バージョン モジュールの現在の関数として共振電源します。各ポイントはキャビティの 3 つの個別の線形から測定された電力の平均値と誤差範囲を示す個別の線形のスプレッド。レーザーの理想的な行動からの偏差は、レーザー結晶、PPLN 結晶における熱の影響が原因です。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

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

ここでは、プロトコルを提案中赤外領域で高感度、空間分解ガス分光法を実行するアップコン バージョン検出併用縮退 4 光波混合を用いたします。

定量のガスを検知用アップコン バージョン検知赤外線縮退四光波混合

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

我々のプロトコルの重要性は、他の方法では到達できないマイナー種の濃度を研究することを可能にする検出限界を下げることである。この技術の主な利点は、バックグラウンドノイズの多くを回避するアップコンバージョンモジュールの追加です。検出プロセスで使用されるアップコンバージョンのセットアップを使用します。まず、セットアップ内の内部要素を公開します。レーザーダイオードと結晶は1064ナノメートルのビームを生成します。一連のミラーはPPLNの水晶を通してこのビームを導き、そして後ろに向ける。外からの中赤外線ビームも結晶を通過します。2つのビームはPPLNの水晶を出て探知器に行く転換された信号を作り出す。この図式では、セットアップの概要を説明します。レーザーダイオードと共に使用される結晶は、ネオダイヤモンドイッテルビウムオルソバナデートです。U1からU7までのシンボルは、1064ナノメートルで高く反射された鏡です。U1からU5までのミラーは、レーザーダイオードの波長で透過性が高い。ミラーU6は、アップコンバートされた信号の範囲で透過性である。ミラーU7は、中赤外信号用の透過性である。ミラーU3は200mmの曲率半径を持っています。他のミラーは平らです。コメディマウントのフラットミラーを使用して、アライメントキャビティを確立します。レーザー媒体の前にミラーを置き、エンドミラーとして機能します。マウントの角度を、水平方向と垂直方向の両方で極端な位置に回します。次に、ミラーU2の前に赤外線感度のビームカードを置きます。また、マウントからPPLNクリスタルを取り外します。この図に配置を示します。エンドミラーはUHで示されます。最大出力の約3分の1でレーザーダイオードを始動します。キャビティを揃えて、次の手順を繰り返します。エンドミラーの角度を、水平方向に正の2度変更します。次に、ミラーの垂直角度を極端から別の極端にスイープします。これを行う際には、アライメントキャビティからのビーム用の赤外線カードを見てください。エンドミラーの水平角度で、垂直角度のスイープ中に、空洞は、赤外線カードに見ることができる怠惰を開始します。空洞が怠けっているとき、より高い電力を得るためにミラーの角度を調整することと、駆動電流を減らすことの間で交互に。最後に、ミラーを離れるビームがIRカードで簡単に見えるように電源を持っています。今、赤外線カードを取り外し、その背後にあったミラー、U2の調整を開始します。ミラーを調整して、位置合わせビームがミラー U3 の中心から中心に反射されるようにします。ミラー U3 の角度を調整して、ミラー U7 に向けて希望のパスに沿ってビームが中央に移動するようにします。ビームが適切な高さでPPLNマウントを通過し、それが結晶の表面に垂直であることを確認します。次に、ゲルマニウムの窓を取り外し、U7の後ろに赤外線カードを置きます。この位置では、IRカードは、空洞を離れるIRビームによる蛍光を発する。今度は、位置合わせビームのパスに沿って反映されるように U7 の角度を調整します。赤外線カードを監視して送信されたビームを監視し、ミラーの角度を設定して出力を最大化します。ビームがいずれかのチャネルを通過するように、PPLNクリスタルをマウントして継続します。IR カードにビームがまだ表示されていることを確認します。その場合は、U7 を調整して出力を最大化してから続行します。この時点で、レーザーダイオードをオフにして、エンドミラーを取り外します。入力時に750ナノメートルのロングパスフィルタをアップコンバージョン設定に取り付けます。フィルタの後ろにパワーメーターを置きます。レーザーダイオードをフルパワーで、U2とU7の角度を調整してパワーを最大限に引き出します。次に、パワーメーターを高出力赤外線カードに交換します。カードを使用して、キャビティが基本的なガリシアモードで動作していることを確認します。必要に応じてミラー U7 を調整します。完了したら、フィルターを取り外し、ゲルマニウムウィンドウを再度アタッチします。赤外線退化4波長混合セットアップを整列させるために移動します。セットアップには、パルスレーザー、ヘリウムネオンレーザー、ミラー、レンズが含まれ、組み立てられたアップコンバージョン検出器の入力にビームを向けます。初期セットアップは、この回路図で表されます。ヘリウムネオンレーザーはガイドビームを提供する。ミラー M3 と M4 を使用して、ガイドビームをレンズ L1 に合わせます。ミラーを調整して、ビームがレンズ L1 の中心に当たるようにします。ミラーM4とレンズL1の間にボックスカープレートを挿入します。水平ビームから45度の垂直角度に配置します。配置が2つの出力ビームを生成することを確認します。最初のボックスカーのプレートの後に 2 つ目のボックスカープレートを挿入します。出力ビームから45度の水平角度でそれを持っています。出力に 4 つのビームがあることを確認します。次に、四角形の角を形成する 4 つの出力梁にボックスカープレートの角度を調整します。レンズ L1 を、その中心の周りに等間隔にするまで調整します。さて、梁の経路に虹彩を置きます。アイリスを3つのポンプビームをブロックし、信号ビームが通過できるように配置します。この回路図は、この時点でのシステムの状態を表します。次のステップはレンズL2、ミラーM5およびM6を含む。ビームをコリメートするには、パルスレーザーの波長の焦点距離を使用してレンズL2を整列させる。次に、位置ミラーM5とM6は、ガイドビームがビームの中心にする必要があるアップコンバージョン検出器の入力ウィンドウに向けられるように。レンズL3を、PPLN結晶の中心から1焦点距離の光学距離に置く。続けるには、検出器のゲルマニウムウィンドウを取り外します。これを行うと、1064ナノメートルビームがアップコンバージョンモジュールを終了することができます。次に、ミラーM6を使用して検出器からビームを移動し、レンズL2で重なるように信号ビームに持ち込みます。ミラーM5を使用して、ガイドビームをL3の1064ナノメートルビームに移動させることでこれを交互に行います。1064ナノメートルのビームとガイドビームが同じ経路をたどるとき停止します。ゲルマニウムウィンドウをアップコンバージョンモジュールに再び取り付けます。次に、パルスレーザーから保護するために、検出器の前にいくつかの中性密度フィルタを配置します。パルスレーザーをオンにし、ガイドビームと重なっていることを確認します。ここで、測定するガス流量または炎をレンズL1の焦点点に置く。この測定は窒素で希釈されたメタンの流れを含む。信号が検出器に表示されていることを確認します。必要に応じて、ニュートラル密度フィルタを調整します。信号がある場合は、ミラーM5とM6を調整して平均強度を最大化します。変換段階でビームブロックで信号ビームをブロックして続行します。次に、検出器の前にあるニュートラル密度フィルタを削除します。初期の場合、検出器に光が散乱して信号が出ることがある。変換ステージでは、ビームブロックの位置を調整して、この散乱を減らします。光散乱による信号ができるだけ小さくなったら、先に進みます。次のステップは、測定を開始できるようにガスの流れをオンにすることです。次に、パルスレーザーでアップコンバージョン検出器を適切にトリガし、目的の波長範囲をスキャンしてデータを収集します。これらのデータは、窒素ガス中のシアン化水素の5つの異なる濃度に対するものである。各ポイントは、各濃度での3回のスキャンの平均を表します。中心のピークは、シアン化水素のNU1振動帯のP20線です。ここでポイントは、濃度の関数として測定されたピーク値である。破線は、2次多項式に適合します。この場合、データは、事前混合された炎からの5つの連続したスキャンを示しています。各スキャンは約 65 秒に及び、同じ範囲の波の数をカバーします。スキャンからスキャンまでの強度の変化は、レーザーパルスモードとエネルギーが安定していないためです。単一ステップが最も重要ではありませんが、測定値を比較する必要がある場合、アライメントは毎回同じ高さの位置を持つ必要があります。試行錯誤によってこの設定を調整することを学ぶことは、人々が落とし穴を避けることができるようにプロセスを実証したかった理由である多くの時間を無駄にするでしょう。アップコンバージョンモジュールの導入により、小さいペレットのガス化から少量種シアン化水素の放出を検出することが可能になりました。このプロトコルには、クラス4レーザーの使用と可燃性ガスの使用が含まれており、適切な安全対策を常に守る必要があります。

Research

JoVE Journal

Engineering

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