Protihluková dutina vylepšená optická heterodynová molekulární spektroskopie - Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy

Protihluková dutina vylepšená opticko-heterodynová molekulární spektroskopie (NICE-OHMS) je velmi citlivý laserová absorpční technika který využívá laserové světlo k hodnocení koncentrace nebo množství druhu v plynné fázi do absorpční spektrometrie (TAK JAKO).

Zásady

Technika NICE-OHMS se kombinuje dutinová absorpční spektrometrie (CEAS) pro prodlouženou délku interakce se vzorkem s frekvenční modulace (fm) spektrometrie FMS pro redukci Hluk 1 / f. Volbou frekvence modulace fm rovné volný spektrální rozsah (FSR) dutiny, všechny složky spektrálního fm-tripletu jsou přenášeny dutinou stejným způsobem. Dutina tedy neohrožuje rovnováhu fm-tripletů, které by jinak vedly k signálům fm-pozadí. Rovněž nepřevádí žádné fluktuace laserové frekvence s ohledem na režim přenosu dutiny na modulaci intenzity, což by zhoršilo detekovatelnost zavedením šumu intenzity. Toto se označuje jako „odolnost proti šumu“. To vše znamená, že FMS lze provádět, jako by dutina nebyla přítomna, přesto plně těžit z prodloužené délky interakce.[Citace je zapotřebí ]

Druhy signálů

Řadu signálů lze získat pomocí NICE-OHMS.[Citace je zapotřebí ] Za prvé, vzhledem k přítomnosti vysoce intenzivních proti-šířících se paprsků v dutině lze získat jak Dopplerovy rozšířené, tak dopplerovské signály. První z nich mají tu výhodu, že jsou přítomny při vysokých tlacích v dutině, což je vhodné při analýze vzorků atmosférického tlaku, zatímco druhé poskytují úzké frekvenční vlastnosti, což je důležité pro aplikace s frekvenčními standardy, ale také otevírá možnosti pro detekci bez rušení . Zadruhé, díky použití FMS lze detekovat jak absorpční, tak disperzní signály (nebo jejich kombinaci). Za třetí, aby se snížil vliv nízkofrekvenčního šumu, modulace vlnové délky (wm) lze dodatečně použít, což znamená, že techniku ​​lze provozovat v obou fm nebo wm režimu.[Citace je zapotřebí ]

Preferovaný provozní režim závisí na konkrétním použití techniky a na převládajících experimentálních podmínkách, zejména typu šumu nebo signálu pozadí, který omezuje detekovatelnost.

Modelování signálů

Typické (a) frekvenčně modulované a (b) vlnovou délkou modulované dopplerovské signály NICE-OHMS od 13 ppb (10 μTorr, 13 • 10−9 atm) C.2H2. Jednotlivé značky: naměřené údaje; Plné křivky: teoretická shoda.

Frekvenčně modulované dopplerovské rozšířené signály lze modelovat v zásadě jako běžné fm-signály, ačkoli je nutné použít rozšířený popis, pokud je přechod opticky nasycený. Rozšířený Doppler modulovaný vlnovou délkou lze modelovat aplikací konvenční teorie modulace vlnové délky na fm signály.

Protože elektrické pole v NICE-OHMS sestává ze tří režimů, nosiče a dvou postranních pásem, které se v dutině šíří v kladném a záporném směru, může se objevit až devět sub-Dopplerových signálů; čtyři se objevují při absorpci a pět při fázi disperze. Každý z těchto signálů může zase pocházet z interakcí mezi několika skupinami molekul s různými páry módů (např. Nosič-nosič, postranní pás-nosič, postranní pás-postranní pásmo v různých kombinacích). Kromě toho, protože sub-Dopplerovy signály nutně zahrnují optickou saturaci, musí být každá z těchto interakcí modelována podrobnějším popisem. To znamená, že situace může být složitá. Ve skutečnosti stále existují některé typy sub-Dopplerových signálů, pro které zatím neexistuje adekvátní teoretický popis.[Citace je zapotřebí ]

Typické signály

Některé typické dopplerovské rozšířené signály NICE-OHMS od 13 ppb (10 μTorr, 13 • 10−9 atm) C.2H2 detekovány v dutině s jemností 4800, jsou zobrazeny na obrázku. (A) fm- a (b) wm-signál. Jednotlivé značky: naměřené údaje; Plné křivky: teoretické uložení.

Výkon

Jedinečné vlastnosti NICE-OHMS, zejména jeho vysoká citlivost, naznačují, že má velký potenciál pro různé aplikace. Nejprve vyvinut pro standardní frekvenční aplikace,[1][2] s úžasnou zjistitelností 10−14 cm−1, později byl použit pro spektroskopická vyšetření a také pro chemické snímání a detekci stopových druhů, s detekovatelností v 10−11 - 10−10 cm−1 rozsah.[3][4][5][6][7][8][9][10][11] Přestože se ukázalo, že technika NICE-OHMS vykazuje extrémně vysokou detekovatelnost, byla k analýze stopových plynů vyvinuta jen zřídka.

Jednou z největších překážek pro implementaci techniky NICE-OHMS je nepochybně zablokování frekvence laseru na frekvenci dutinového režimu. Ačkoli jsou požadavky na výkon zámku méně přísné než u jiných přímých technik cw-CEAS (kvůli principu imunní proti šumu), musí být během snímání signálu stále udržována frekvence laseru v režimu dutiny, tj. sledujte režim, zatímco je dutina skenována, včetně možné modulace vlnové délky. Dosažení těchto cílů může být obtížné, pokud je volně běžící šířka čáry laseru výrazně větší než šířka kavitního režimu a pokud je laser náchylný k náhlým frekvenčním výkyvům v důsledku technického šumu z okolí. To je obvykle případ při práci se středními nebo vysokými jemnostmi dutin (s šířkami přenosového režimu v rozsahu nízkých kHz) a standardními typy laserů, např. diodové lasery s externí dutinou (ECDL) s volně běžící šířkou linky v rozsahu MHz. Elektronické zpětnovazební smyčky s vysokou šířkou pásma (obvykle několik MHz) a vysokým ziskem jsou pak potřebné k propojení podstatného množství laserového výkonu do dutinového režimu a zajištění stabilního výkonu zámku.[Citace je zapotřebí ]

S příchodem úzké šířky čáry vláknové lasery, problémy spojené s laserovým zamykáním lze významně snížit. V současné době jsou k dispozici vláknové lasery s volně běžící šířkou linky tak úzkou jako 1 kHz (měřeno za zlomek sekundy), tedy o dva až tři řády nižší než u ECDL. Tato funkce evidentně zjednodušuje zpětnovazební elektroniku (postačují šířky pásma až 10 kHz) a značně postup zamykání. Konstrukce a princip fungování vláknových laserů je navíc méně ovlivňují vnějšími poruchami, např. mechanický a akustický šum, než u jiných laserů v pevné fázi nebo ECDL. Kromě toho dostupnost komponent integrované optiky, jako jsou optické modulátory založené na vláknech (vláknové EOM), nabízí možnost dalšího snížení složitosti nastavení. Nedávno byly předvedeny první realizace systému NICE-OHMS založeného na vláknovém laseru a vláknové EOM. Ukázalo se, že C.2H2 lze detekovat až na 4,5 • 10−12 atm (4,5 ppt) s přístrojovým vybavením, které je velmi robustní.[12] Je zřejmé, že to přineslo NICE-OHMS o krok blíže k tomu, aby se stala prakticky užitečnou technikou pro detekci ultra-citlivých stopových druhů![13]

Viz také

Reference

  1. ^ J. Ye, L. S. Ma a J. L. Hall, „Ultrasenzitivní detekce v atomové a molekulární fyzice: demonstrace ve spektroskopii molekulárního podtónu“ Journal of the Optical Society of America B-Optical Physics (JOSA B) 15 (1), 6-15 (1998)
  2. ^ L. S. Ma, J. Ye, P. Dube a J. L. Hall, „Ultrasensitivní frekvenčně-modulační spektroskopie vylepšená vysoce jemnou optickou dutinou: teorie a aplikace pro podtextové přechody C2H2 a C.2HD, “ JOSA B 16 (12), 2255-2268 (1999)
  3. ^ L. Gianfrani, R. W. Fox a L. Hollberg, „Dutina-zesílená absorpční spektroskopie molekulárního kyslíku“ JOSA B 16 (12), 2247-2254 (1999)
  4. ^ C. Ishibashi a H. Sasada, „Vysoce citlivá sub-Dopplerova spektroskopie zesílené kavity molekulárního podtónového pásma s laditelným diodovým laserem 1,66 mm,“ Japonský žurnál aplikované fyziky Část 1 - Pravidelné práce Krátké poznámky a recenze 38 (2A), 920-922 (1999)
  5. ^ J. Bood, A. McIlroy a D. L. Osborn, „Absorpční spektroskopie frekvenční modulace zesílené dutinou šestého overtonového pásma oxidu dusnatého“, představená na Manipulation and Analysis of Bio-addresses, Cells and Tissues, 2003
  6. ^ N. J. van Leeuwen a A. C. Wilson, „Měření tlakově rozšířených, ultra slabých přechodů s optickou heterodynovou molekulární spektroskopií zesílenou hlukovou imunitou“ JOSA B 21 (10), 1713-1721 (2004)
  7. ^ N. J. van Leeuwen, H. G. Kjaergaard, D. L. Howard a A. C. Wilson, „Měření ultrakrátkých přechodů ve viditelné oblasti molekulárního kyslíku“ Journal of Molecular Spectroscopy 228 (1), 83-91 (2004)
  8. ^ M. S. Taubman, T. L. Myers, B. D. Cannon a R. M. Williams, „Stabilizace, vstřikování a řízení kvantových kaskádových laserů a jejich aplikace na chemické snímání v infračervené oblasti,“ Spectrochimica Acta Part A-Molekulární a biomolekulární spektroskopie 60 (14), 3457-3468 (2004)
  9. ^ J. Bood, A. McIlroy a D. L. Osborn, „Měření šestého podtónového pásma oxidu dusnatého a jeho funkce dipólového momentu pomocí spektroskopie frekvenční modulace s dutinou“ Journal of Chemical Physics 124 (8)(2006)
  10. ^ F. M. Schmidt, A. Foltynowicz, W. Ma a O. Axner, „Optická heterodynová molekulární spektrometrie s optickou heterodynovou molekulární spektrometrií na bázi vláknového laseru založená na šumu pro Dopplerovu detekci C2H2 v rozsahu dílů na bilion, “ JOSA B 24 (6), 1392-1405 (2007)
  11. ^ F. M. Schmidt, A. Foltynowicz, W. Ma, T. Lock a O. Axner, „Dopplerem rozšířený vláknový laser NICE-OHMS - lepší detekovatelnost“ Optika Express 15 (17), 10822-10831 (2007)
  12. ^ F. M. Schmidt, A. Foltynowicz, W. Ma a O. Axner, „Optická heterodynová molekulární spektrometrie s optickou heterodynovou molekulární spektrometrií na bázi vláknového laseru založená na šumu pro Dopplerovu detekci C2H2 v rozsahu dílů na bilion, “ JOSA B 24 (6), 1392-1405 (2007)
  13. ^ A. Foltynowicz, F. M. Schmidt, W. Ma a O. Axner, „Optická heterodynová molekulární spektrometrie se zvýšenou hlukovou imunitou: současný stav a budoucí potenciál,“ Aplikovaná fyzika B 92, 313-326 (2008).