Spektroskopi med optiska frekvenskammar

Transkript

1 Spektroskopi med optiska frekvenskammar Aleksandra Foltynowicz Institutionen för fysik, Umeå Universitet Fortbildningsdagar, Umeå Universitet, 29 okt 2013

2 Vad är spektroskopi? Växelverkan mellan ljus och materia Materiens struktur och innehåll

3 Översikt Ljus Atomer och molekyler Absorptionspektroskopi Laserspektroskopiska tillämpningar Optiska frekvenskammar Tillämpningar av optisk frekvenskamspektroskopi

4 Ljuskällor Lampor (Svartkroppsstrålning) Lasrar Vitt ljus (svartkroppsstrålning) Isotropisk emission (lyser åt alla håll) Låg intensitet En våglängd (monokromatiskt) Riktad ljusutbredning (stråle) Hög intensitet

5 Spektra av atomer Absorption Emission Fotonens energi E = hν = E E p Plancks konstant 2 1 optisk frekvens

6 Molekylspektra Vibration Rotation

7 Absorptionspektroskopi Laser I 0 Gas L I A fotodiod Absorptionsignal Beer - Lamberts lag IA absorptionskoefficient ( ν ) = Ie 0 ( ) αν L Intensitet optisk frekvens absorptionslängd Relativ optisk frekvens linjestyrka linjeform Absorptionskoefficient αν ( ) = Snχν ( ) ( α L) min = 10 3 densitet

8 Hur att förbättra absorptionskänsligheten? Minska bruset moduleringstekniker Öka signalen ( α L) min = 10 6 linjestyrka linjeform ( ) = χν ( ) αν L Sn L densitet absorptionslängd Välj en stark övergång Förläng växelverkanslängden

9 Hur att förbättra absorptionskänsligheten? Välj en stark övergång Detektera små mängder Finns en lämplig laserkälla? Förläng växelverkanslängden Multipasscell Kavitet ( α L) min =

10 Laser absorptionspektroskopi Svepbara lasrar nå övergångar i molekyler Hög upplösning skilja mellan olika molekyler Hög känslighet detektera små absorption/mängder Hög noggrannhet mäta koncentration med precision Korta mättider följa snabba förändringar i koncentration Beröringsfri metod Robust och begränsad storlek

11 Var används laserspektroskopi? Grundforskning Er 3+ jon Molekylär struktur Kemiska reaktioner Teknisk utveckling Teoretisk beskrivning

12 Var används laserspektroskopi? Grundforskning Industri Tunable Diode Laser Spectroscopy (TDLS) Kolkraftverk Avfallsförbränning Förbränningsprocesser kolmonoxiddetektion Metallindustri processtyrning syre, vätefluorid, CO, CO 2 temperaturmättning Zirkonium syre sensor TDLS

13 Var används laserspektroskopi? Grundforskning Industri Klimatforskning Växthusgaser Föroreningar Isotopanalys Föroreningar formaldehyd Flödeskovarians (eddy covariance) lustgas och metan

14 Var används laserspektroskopi? Grundforskning Industri Klimatforskning Rymden Curiosity Rover på Mars metan, vatten, koldioxid

15 Vad är det som saknas? Hög känslighet Hög noggrannhet och precision Hög specificitet (upplösning) Korta mättider Robust och begränsad storlek Multiämnesdetektion x hittills: ett lasersystem en typ av molekyl!!

16 En optisk frekvenskam Tusentals synkroniserade lasermoder!! Nobelpris 2005 John Hall och Theodor Hänsch för deras bidrag till utvecklingen av laserbaserad precisionsspektroskopi, inkluderande den optiska frekvenskamstekniken S. Cundiff & J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003)

17 Hur skapas en optisk frekvenskam? En kontinuerlig laser En puls Tåg av modlåsta pulser Time τ f r = 1/T T 1/τ Frequency S. Cundiff et al., Scientific American (2008)

18 En optisk frekvenskam Modlåst laser T pulsperiod (nanosekunder, 10-9 s) τ pulsens varaktighet (femtosekunder, s) Frekvens hos den n:te kammens mod: repetitionsfrekvens (f r = 1/T) ν n = nfr + f 0 modsnummer offset frekvens bandbredd (1/τ) credit: Todd Johnson and Scott Diddams, NIST, Boulder, CO

19 Spektroskopi med en optisk frekvenskam Kammens moder Molekulär absorption Transmitterade moder Frekvenskam gas detektion credit: Todd Johnson and Scott Diddams, NIST, Boulder, CO

20 Kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi Modlåst laser (frekvenskam) Optisk kavitet - bred spectral täckning - hög upplösning - flerämnesdetektion - hög känslighet Bredbandigt detektionssytem - korta mättider credit: Baxley/JILA, Boulder, CO

21 Kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi Baxley/JILA

22 Nuvarande status Väldigt snabb utveckling (10 år) nya laserkällor nya detektionsstrategier enklare och mer robusta detektionssystem <10 forskargrupper i världen Demonstrerade tillämpningar (i laboratorier) grundforskning utandningsluftsanalys miljöövervakning klimatforskning i Arktis! halvledarindustri credit: Baxley/JILA, Boulder, CO

23 Karakterisering av steriliseringsapparat Förväntade molekyler: O 3, N 2 O, NO 2, H 2 O 2 OH, NO Steriliseringseffektivitet M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012)

24 Multiämnesdetektion Spektrum mätt i 1.2 s M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012)

25 Multiämnesdetektion Mätt spektrum Simulerade spektra Sammanlagt spektrum M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012)

26 Koncentrationsmätning Utan väteperoxid Med väteperoxid N 2 O 24.0 ± 0.6 ppm N 2 O 16 ± 3 ppm NO ± 0.1 ppm NO 2 15 ± 1 ppm O ± 6 ppm O ± 14 ppm H 2 O 2 6 ± 2 ppm H 2 O ± 14 ppm Plasma av Plasma på Plasma av Plasma av Plasma på Pump av M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012)

27 Bred spektral täckning multiämnesdetektion Hög upplösning noggrannhet Hög känslighet spårgasdetektion Korta mättider studera dynamik Potentiella tillämpningar grundforskning klimatforskning halvledarindustri utandningsluftsanalys Sammanfattning

28 Optisk UmU Forskningsgruppen initierades 2012 Första systemet när-infraröd laser, optisk kavitet, Fouriertransformspektrometer Andra systemet (2014) mid-infraröd laser, molekylär fingeravtryckområde Teknisk utveckling och teoretisk beskrivning av signaler Tillämpningar: förbränningsprocesser klimatforskning utandningsluftsanalys

29 Tack!