Помехоустойчивая оптическая гетеродинная молекулярная спектроскопия с усилением резонатора
Оптико-гетеродинная молекулярная спектроскопия с усилением резонатора ( NICE-OHMS ) представляет собой сверхчувствительный метод лазерной абсорбции , который использует лазерный свет для оценки концентрации или количества веществ в газовой фазе с помощью абсорбционной спектрометрии (АС).
Принципы
[ редактировать ]Методика NICE-OHMS сочетает в себе спектрометрию поглощения с усилением резонатора (CEAS) для увеличения длины взаимодействия с образцом и спектрометрию частотной модуляции (FM) FMS для уменьшения шума 1/f . При выборе частоты fm-модуляции, равной свободному спектральному диапазону (FSR) резонатора, все компоненты спектрального fm-триплета передаются через резонатор одинаковым образом. Таким образом, резонатор не нарушает баланс FM-триплета, который в противном случае привел бы к появлению FM-фоновых сигналов. Он также не преобразует любые флуктуации частоты лазера в зависимости от режима пропускания резонатора в модуляцию интенсивности, которая могла бы ухудшить обнаруживаемость из-за введения шума интенсивности. Это называется «помехоустойчивость». Все это означает, что ФМС может быть выполнена так, как если бы полости не было, но при этом в полной мере воспользоваться преимуществами увеличенной длины взаимодействия. [ нужна ссылка ]
Типы сигналов
[ редактировать ]С помощью NICE-OHMS можно получить различные сигналы. [ нужна ссылка ] Во-первых, благодаря наличию в резонаторе встречных лучей высокой интенсивности можно получить как сигналы с доплеровским уширением, так и сигналы без доплера. Преимущество первых заключается в том, что они присутствуют при высоких внутрирезонаторных давлениях, что подходит при анализе образцов при атмосферном давлении, тогда как вторые обеспечивают узкие частотные характеристики, что важно для приложений стандарта частоты, но также открывает возможности для обнаружения без помех. . Во-вторых, благодаря использованию FMS можно обнаружить сигналы как поглощения, так и дисперсии (или их комбинацию). В-третьих, для уменьшения влияния низкочастотного шума дополнительно может применяться модуляция длины волны ( wm ), что означает, что методика может работать как в FM, так и в wm режиме. [ нужна ссылка ]
Предпочтительный режим работы зависит от конкретного применения метода и преобладающих условий эксперимента, главным образом от типа шума или фонового сигнала, ограничивающего обнаруживаемость.
Моделирование сигналов
[ редактировать ]
Частотно-модулированные сигналы с доплеровским расширением могут быть смоделированы в основном как обычные FM -сигналы, хотя необходимо использовать расширенное описание, если переход оптически насыщен. Модулированное по длине волны доплеровское уширение можно смоделировать, применяя традиционную теорию модуляции длины волны к FM-сигналам.
Поскольку электрическое поле в NICE-OHMS состоит из трех мод, несущей и двух боковых полос, которые распространяются в резонаторе в положительном и отрицательном направлениях, может появиться до девяти субдоплеровских сигналов; четыре появляются на стадии поглощения и пять на фазе дисперсии. Каждый из этих сигналов, в свою очередь, может возникать в результате взаимодействия нескольких групп молекул с различными парами мод (например, носитель-несущая, боковая полоса-несущая, боковая полоса-боковая полоса в различных комбинациях). Кроме того, поскольку субдоплеровские сигналы обязательно включают оптическое насыщение, каждое из этих взаимодействий необходимо моделировать с помощью более подробного описания. Это означает, что ситуация может быть сложной. Фактически, до сих пор существуют некоторые типы субдоплеровских сигналов, для которых до сих пор нет адекватного теоретического описания. [ нужна ссылка ]
Типичные сигналы
[ редактировать ]Некоторые типичные сигналы NICE-OHMS с доплеровским расширением, от 13 частей на миллиард (10 мкТорр, 13•10 −9 атм) C 2 H 2 , обнаруженного в полости с тонкостью 4800, показаны на рисунке. (а) fm- и (б) wm -сигнал. Отдельные маркеры: данные измерений; Сплошные кривые: теоретические соответствия.
Производительность
[ редактировать ]Уникальные особенности NICE-OHMS, в частности его высокая чувствительность, подразумевают, что он имеет большой потенциал для различных применений. Впервые разработанный для приложений стандарта частоты, [ 1 ] [ 2 ] с поразительной обнаруживаемостью 10 −14 см −1 Позже он использовался для спектроскопических исследований, а также для химического зондирования и обнаружения следовых веществ с возможностью обнаружения в 10 −11 - 10 −10 см −1 диапазон. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Однако, хотя метод NICE-OHMS показал чрезвычайно высокую обнаруживаемость, он до сих пор лишь редко разрабатывался для анализа газовых примесей.
Одним из самых больших препятствий для реализации метода NICE-OHMS, несомненно, является привязка частоты лазера к частоте моды резонатора. Хотя требования к характеристикам синхронизации менее строгие, чем для других методов прямого непрерывного CEAS (из-за принципа помехоустойчивости), частота лазера все равно должна удерживаться в режиме резонатора во время регистрации сигнала, т.е. следуйте режиму во время сканирования полости, включая возможную модуляцию длины волны. Достижение этих целей может оказаться затруднительным, если свободная ширина линии лазера значительно превышает ширину моды резонатора и если лазер склонен к внезапным отклонениям частоты из-за технического шума из окружающей среды. Обычно это происходит при работе с резонаторами средней или высокой точности (с шириной моды пропускания в диапазоне низких кГц) и стандартными типами лазеров, например диодными лазерами с внешним резонатором (ECDL), со свободной шириной линии в диапазоне МГц. В этом случае необходимы электронные контуры обратной связи с широкой полосой пропускания (обычно несколько МГц) и высоким коэффициентом усиления, чтобы передать значительную часть мощности лазера в моду резонатора и обеспечить стабильную работу блокировки. [ нужна ссылка ]
С появлением волоконных лазеров с узкой шириной линии проблемы, связанные с синхронизацией лазера, могут быть значительно уменьшены. Сегодня доступны волоконные лазеры с шириной свободной линии всего 1 кГц (измеренной за доли секунды), что на два-три порядка ниже, чем у ECDL. Очевидно, что эта особенность значительно упрощает электронику обратной связи (достаточно полосы пропускания всего 10 кГц) и процедуру блокировки. Более того, конструкция и принцип работы волоконных лазеров делают их менее подверженными влиянию внешних помех, например, механического и акустического шума, по сравнению с другими твердотельными лазерами или ECDL. Кроме того, наличие компонентов интегрированной оптики, таких как оптоволоконные электрооптические модуляторы (оптоволоконные EOM), дает возможность еще больше снизить сложность установки. Недавно были продемонстрированы первые реализации системы NICE-OHMS на основе волоконного лазера и волоконного ЭОМ. Показано, что C 2 H 2 может быть обнаружен до 4,5•10 −12 atm (4,5 ppt) с очень прочным оборудованием. [ 12 ] Очевидно, что это сделало NICE-OHMS на шаг ближе к тому, чтобы стать практически полезным методом сверхчувствительного обнаружения микроэлементов! [ 13 ]
См. также
[ редактировать ]- Оптическое гетеродинное обнаружение
- Спектроскопия полостей кольца вниз (CRDS)
- Лазерная абсорбционная спектрометрия
- Диодные лазеры
- Абсорбционная спектроскопия перестраиваемого диодного лазера (TDLAS)
- Список лазерных статей
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дж. Йе, Л.С. Ма и Дж.Л. Холл, «Сверхчувствительные обнаружения в атомной и молекулярной физике: демонстрация в молекулярной обертонной спектроскопии», Журнал Оптического общества Америки B-Оптическая физика (JOSA B) 15 (1), 6- 15 (1998)
- ^ LS Ma, J. Ye, P. Dube и JL Hall, «Сверхчувствительная спектроскопия частотной модуляции, усиленная высокоточным оптическим резонатором: теория и применение к обертонным переходам C 2 H 2 и C 2 HD», JOSA B 16 (12), 2255-2268 (1999)
- ^ Л. Джанфрани, Р. В. Фокс и Л. Холлберг, «Спектроскопия молекулярного кислорода с усилением полости», JOSA B 16 (12), 2247-2254 (1999).
- ^ К. Исибаши и Х. Сасада, «Высокочувствительная субдоплеровская спектроскопия молекулярной обертонной полосы с усилением резонатора с помощью перестраиваемого диодного лазера длиной 1,66 мм», Японский журнал прикладной физики, часть 1 - регулярные статьи, краткие заметки и обзорные статьи 38 ( 2А), 920-922 (1999)
- ^ Дж. Буд, А. Макилрой и Д.Л. Осборн, «Спектроскопия поглощения с частотной модуляцией с полостной модуляцией шестой обертонной полосы оксида азота», представленная на конференции «Манипулирование и анализ биомолекул, клеток и тканей», 2003 г.
- ^ Н. Дж. ван Леувен и А. К. Уилсон, «Измерение сверхслабых переходов с расширением давления с помощью шумоустойчивой оптической гетеродинной молекулярной спектроскопии с усилением полости», JOSA B 21 (10), 1713-1721 (2004).
- ^ Н. Дж. ван Леувен, Х. Г. Кьергаард, Д. Л. Ховард и А. К. Уилсон, «Измерение сверхслабых переходов в видимой области молекулярного кислорода», Журнал молекулярной спектроскопии 228 (1), 83-91 (2004).
- ^ М. С. Таубман, Т. Л. Майерс, Б. Д. Кэннон и Р. М. Уильямс, «Стабилизация, инжекция и управление квантовыми каскадными лазерами и их применение для химического зондирования в инфракрасном диапазоне», Spectrochimica Acta Part A - Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия 60 (14), 3457-3468 (2004)
- ^ Дж. Буд, А. Макилрой и Д.Л. Осборн, «Измерение шестой обертонной полосы оксида азота и ее функции дипольного момента с использованием спектроскопии частотной модуляции с усилением полости», Journal of Chemical Physics 124 (8) (2006)
- ^ Ф. М. Шмидт, А. Фолтынович, В. Ма и О. Акснер, «Оптическая гетеродинная молекулярная спектрометрия с шумоустойчивостью и усилением резонатора на основе волоконного лазера для доплеровского обнаружения C 2 H 2 в диапазоне частей на триллион», « ЖОСА Б 24 (6), 1392-1405 (2007)
- ^ Ф. М. Шмидт, А. Фолтинович, В. Ма, Т. Лок и О. Акснер, «NICE-OHMS на основе волоконного лазера с доплеровским расширением - улучшенная обнаруживаемость», Optics Express 15 (17), 10822-10831 (2007). )
- ^ Ф. М. Шмидт, А. Фолтынович, В. Ма и О. Акснер, «Оптическая гетеродинная молекулярная спектрометрия с шумоустойчивостью и усилением резонатора на основе волоконного лазера для доплеровского обнаружения C 2 H 2 в диапазоне частей на триллион», « ЖОСА Б 24 (6), 1392-1405 (2007)
- ^ А. Фолтинович, Ф.М. Шмидт, В. Ма и О. Акснер, «Оптическая гетеродинная молекулярная спектрометрия с усилением шума и помехоустойчивостью: текущее состояние и будущий потенциал», Applied Physics B 92 , 313-326 (2008).
