Name: infrared degenerate four-wave mixing with upconversion detection for quantitative gas sensing
Uploaded: 2019-03-22T13:00:00
Duration: 10 min 42 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing at JoVE.com

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].

<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>

Авторы не имеют ничего сообщать.

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.

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.

<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

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.

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig1.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig2.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig3.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig4.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig5.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59040/59040fig6.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59040/59040fig6large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing at JoVE.com

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

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

Инфракрасная вырожденный Четырехволновое, смешивая с Upconversion обнаружения для количественного газ зондирования

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

Значение нашего протокола заключается в том, что он снижает предел обнаружения, что позволяет изучать концентрации мелких видов, которые другие методы не могут достичь. Основным преимуществом этой техники является добавление модуля upconversion, который обходит большую часть фонового шума. Работа с настройкой для upconversion, используемой в процессе обнаружения.Начните с разоблачения внутренних элементов в настройке. Лазерный диод и кристалл производят луч 1064 нанометров. Серия зеркал направляет этот луч через кристалл PPLN, и назад.Средний инфракрасный луч снаружи также проходит через кристалл. Эти два луча производят перевернутый сигнал, который выходит из кристалла PPLN и идет к детектору. Эта схема обеспечивает обзор настройки.Кристалл, используемый с лазерным диодом является неодиамонд ytterbium ортованата. Символы U1 к U7 являются зеркалами, которые сильно отражаются на 1064 нанометров. Зеркала U1 через U5 очень трансмиссивны на длине волны лазерного диода.Зеркало U6 трансмиссивно в диапазоне доконвертного сигнала. Зеркало U7 трансмиссивно для среднего инфракрасного сигнала. Зеркало U3 имеет радиус кривизны 200 мм.Остальные зеркала плоские. Используйте плоское зеркало на комедийном горе, чтобы установить выравнивание полости. Поместите зеркало перед лазерной средой, чтобы служить в качестве конечного зеркала.Поверните угол крепления в экстремальные позиции как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Затем поместите инфракрасную карту чувствительного луча перед зеркалом U2. Также удалите кристалл PPLN с его крепления. Аранжировка изображена в этой схеме.Конец зеркала обозначается UH. Запуск лазерного диода примерно на одну треть его максимальной мощности. Выровняйте полость, повторите следующие шаги. Измените угол конечного зеркала, положительный 2 градуса в горизонтальном направлении.Затем подмести вертикальный угол зеркала от одной крайности к другой. Как вы делаете это, смотреть инфракрасную карту для пучка из полости выравнивания. Под некоторым горизонтальным углом конечного зеркала, во время развертки вертикального угла, полость начнет отдыхать, что можно увидеть на инфракрасной карте.Когда полость отдыхает, чередуйте между регулировкой угла зеркала для достижения большей мощности и уменьшением тока привода. В конце концов, есть власть, так что луч оставив зеркало легко видно с ИК-карты. Теперь снимите инфракрасную карту и начните регулировать зеркало, которое было за ней, U2. Отрегулируйте зеркало таким образом, чтобы луч выравнивания отражался от его центра к центру зеркала U3. Отрегулируйте угол зеркала U3, чтобы луч по центру по желаемому пути отражал U7. Убедитесь, что луч проходит через гору PPLN на соответствующей высоте, и что он будет перпендикулярно поверхности кристалла.Затем удалите окно германия и поместите инфракрасную карту за U7. В этом положении ИК-карта будет флуоресцентной из-за ИК-луча, покидая полость. Теперь отрегулируйте угол U7, чтобы отразить по пути балки выравнивания. Мониторинг инфракрасной карты для передаваемого луча, и установить угол зеркала, чтобы максимизировать выход.Продолжить путем монтажа кристалла PPLN в горе, чтобы луч проходит через один из своих каналов. Убедитесь, что луч все еще виден на ИК-карте. Если это так, отрегулируйте U7, чтобы максимизировать выход перед началом работы.В этот момент выключите лазерный диод и удалите зеркало конца. Прикрепите фильтр для прохода длиной 750 нанометров при входе в настройку upconversion. Поместите счетчик мощности позади фильтра.С лазерным диодом на полную мощность, настроить угол U2 и U7, чтобы максимизировать мощность. Затем замените счетчик мощности высокой мощностью инфракрасной карты. С помощью карты убедитесь, что полость работает в фундаментальном галицком режиме.Отрегулируйте зеркало U7 по мере необходимости. После этого снимите фильтр и прикрепите окно германиума. Двигайтесь дальше, чтобы выровнять инфракрасную вырожденную четырехволновую установку смешивания.Настройка включает в себя импульсный лазер, гелиевый неоновый лазер, а также зеркала и линзы, чтобы направить лучи к входу собранного детектора upconversion. Первоначальная настройка представлена в этой схеме. Гелий неоновый лазер обеспечивает направляющий луч.Используйте зеркала M3 и M4, чтобы выровнять направляющий луч с объективом L1. Отрегулируйте зеркала так, чтобы луч попал в объектив L1 в его центре. Вставьте пластину boxcars между зеркалом M4 и объективом L1. Поместите его под 45-градусный вертикальный угол от горизонтального луча. Убедитесь, что расположение производит два выходных луча.Вставьте вторую пластину boxcars после первого. Ими на 45 градусов горизонтальный угол от выходных лучей. Убедитесь, что его выход имеет четыре балки.Затем отрегулируйте углы пластин boxcars на четыре выходных луча образуют углы квадрата. Отрегулируйте объектив L1 до тех пор, пока лучи не будут одинаково размыты вокруг его центра. Теперь поместите радужную оболочку на пути балок.Упорядочить радужной оболочки, чтобы заблокировать три пучка насоса и позволяют сигнальный луч пройти. Эта схема представляет состояние системы на данном этапе. Следующие шаги будут включать объектив L2, и зеркала M5 и M6. Чтобы коллиматировать луч, выровнять объектив L2 с помощью фокусного длины длины волны импульсного лазера.Затем положение отражает M5 и M6, поэтому направляющий луч направляется к входной окну детектора upconversion, где луч должен быть по центру. Поместите объектив L3 на оптическое расстояние в одну фокусную длину от центра кристалла PPLN. Удалите окно германиума детектора, чтобы продолжить.Это позволяет 1064 нанометровому лучу выйти из модуля upconversion. Затем начните использовать зеркало M6, чтобы переместить луч от детектора, и принести его на сигнальный луч, чтобы они перекрываются в объективе L2. Чередуйте это с использованием зеркала M5 для перемещения направляющей балки на 1064 нанометровый луч на L3. Остановка, когда 1064 нанометровый луч, и направляющий луч, следовать по тому же пути. Подкрепите окно германиума к модулю upconversion.Затем поместите несколько фильтров нейтральной плотности перед детектором, чтобы защитить его от импульсного лазера. Включите импульсный лазер и убедитесь, что он перекрывается направляющей балкой. Теперь поместите поток газа или пламя для измерений в координационном центре объектива L1. Это измерение будет включать в себя поток метана, разбавленного азотом.Убедитесь, что сигнал виден на детекторе. Отрегулируйте фильтры нейтральной плотности по мере необходимости. Если есть сигнал, максимизуйте его среднюю интенсивность, регулируя зеркала M5 и M6. Продолжайте блокировать сигнальный луч блоком луча на этапе перевода.Затем удалите фильтры нейтральной плотности, которые находятся перед детектором. Первоначально, может быть сигнал из-за света, рассеянного в детекторе. Со стадией перевода отрегулируйте положение блока луча, чтобы уменьшить это рассеяние.Продолжайте, когда сигнал из-за рассеяния света был уменьшен как можно больше. Следующим шагом является включить поток газа, чтобы начать измерения. Затем соберите данные, правильно запуская детектор upconversion с помощью импульсного лазера и сканируя диапазон длин волн интереса.Эти данные по пяти различным концентрациям цианида водорода в азотных газах. Каждая точка представляет в среднем три сканирования в каждой концентрации. Центральной вершиной является линия P20 вибрационной полосы NU1 цианида водорода.Здесь точки являются измеренные пиковые значения в качестве функции концентрации. Линия тире подходит для полиномиальной второй степени. В этом случае, данные показывают пять последовательных сканирований от предварительно смешанного пламени.Каждое сканирование длит около 65 секунд и охватывает один и тот же диапазон волнового числа. Изменение интенсивности от сканирования до сканирования связано с тем, что режим лазерного импульса и энергия не стабильны. Ни один шаг не является наиболее важным, но если измерения должны быть сопоставимы, выравнивание должно иметь одинаковое положение высоты каждый раз.Научиться выравнивать эту настройку методом проб и ошибок будет тратить много времени, поэтому я хотел, чтобы продемонстрировать процесс, чтобы люди могли избежать ловушек. Внедрение модуля upconversion сделало возможным для нас обнаружить высвобождение минорного вида цианида водорода от газификации мелких гранул. Этот протокол включает в себя использование лазеров класса четыре, и, возможно, использование легковоспламеняющихся газов, и соответствующие меры безопасности всегда должны соблюдаться.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Синтез и эксплуатация Флуоресцентные-ядерный Микрополости для Рефрактометрические зондирования

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

В месте сужения Халькогенидные волокно для средней инфракрасной области спектра генерации супер

Supercontinuum  generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared  (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength ...

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

Frequency Mixing Magnetic Detection Scanner for Imaging Magnetic Particles in Planar Samples

Частота Смешивание Магнитный сканер обнаружения для визуализации магнитных частиц в планарных образцах

The setup of a planar Frequency Mixing Magnetic Detection (p-FMMD) scanner for performing Magnetic Particles Imaging (MPI) of flat samples is presented. ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

Штамм зондирования на основе Многомасштабное композитных материалов, армированных с графеновых нанопластинок

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

Масштабируемые квантовые интегрированные схемы на сверхпроводящей двухмерной газовой платформе

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Фемтосекундный лазер волокна для использования в суб-Diffraction-ограниченной изображений и дистанционного зондирования

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

Quantitative Analysis by Thermogravimetry-Mass Spectrum Analysis for Reactions with Evolved Gases

Количественный анализ, анализ спектра термогравиметрии массы для реакции с Газы

During energy conversion, material production, and metallurgy processes, reactions often have the features of unsteadiness, multistep, and ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

Кремний накренилась волоконно оптического зондирования платформа с высоким разрешением и быстрого реагирования

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

Роботизированное зондирование и стимулы Положение для управляемого роста завода

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...