umu.sePublikationer
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Fiber-laser-based noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectrometry incorporating an optical circulator
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik. (Laser physics group)
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Visa övriga samt affilieringar
2014 (Engelska)Ingår i: Optics Letters, ISSN 0146-9592, E-ISSN 1539-4794, Vol. 39, nr 2, s. 279-282Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

To reduce the complexity of fiber-laser-based noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectrometry, a system incorporating a fiber-coupled optical circulator to deflect the cavity-reflected light for laser stabilization has been realized. Detection near the shot-noise limit has been demonstrated for both Doppler-broadened and sub-Doppler signals, yielding a lowest detectable absorption and optical phase shift of 2.2 x 10(-12) cm(-1) and 4.0 x 10(-12) cm(-1), respectively, both for a 10 s integration time, where the former corresponds to a detection limit of C2H2 of 5 ppt. (C) 2014 Optical Society of America

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Optical Society of America, 2014. Vol. 39, nr 2, s. 279-282
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
fysik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:umu:diva-85701DOI: 10.1364/OL.39.000279ISI: 000329906900026OAI: oai:DiVA.org:umu-85701DiVA, id: diva2:698023
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet, 621-2011-4216Carl Tryggers stiftelse för vetenskaplig forskning Tillgänglig från: 2014-02-20 Skapad: 2014-02-10 Senast uppdaterad: 2018-06-08Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Further development of NICE-OHMS: – an ultra-sensitive frequency-modulated cavity-enhanced laser-based spectroscopic
 technique for detection of molecules in gas phase
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Further development of NICE-OHMS: – an ultra-sensitive frequency-modulated cavity-enhanced laser-based spectroscopic
 technique for detection of molecules in gas phase
2014 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy, NICE-OHMS, is a laser-based spectroscopic detection technique that comprises the concepts of frequency modulation (FM, for reduction of 1/f-noise by detecting the signal at a high frequency) and cavity enhancement (CE, for a prolongation of the optical path length) in a unique way. Properly designed, this gives the technique an intrinsic immunity against the frequency-to-noise conversion that limits many other types of CE techniques. All this gives it an exceptionally high sensitivity for detection of molecular species. Although originally developed for frequency standard purposes in the late 1990s, soon thereafter development of the technique towards molecular spectroscopy and trace gas detection was initiated. This thesis focuses on the further development of Doppler- broadened NICE-OHMS towards an ultra-sensitive detection technique. A number of concepts have been addressed. A few of these are: i) The detection sensitivity of fiber-laser-based NICE- OHMS has been improved to the 10−12 cm−1 range, which for detection of C2H2 corresponds to a few ppt (parts-per-trillion, 1:1012) in gas phase, by improving the locking of the laser to a cavity mode by use of an acousto-optic modulator. ii) It is shown that the system can be realized with a more compact footprint by implementation of a fiber-optic circulator. iii) A systematic and thorough investigation of the experimental conditions that provide maximum signals, referred to as the optimum conditions, e.g. modulation and demodulation conditions and cavity length, has been performed. As a part of this, an expression for the NICE-OHMS line shape beyond the conventional triplet formalism has been proposed and verified. iv) To widen the applicability of NICE-OHMS for detection of pressure broadened signals, also a setup based upon a distributed-feedback (DFB) laser has been realized. v) In this regime, the Voigt profile cannot model signals with the accuracy that is needed for a proper assessment of analyte concentrations. Therefore, the thesis demonstrates the first implementations of line profiles encompassing Dicke narrowing and speed-dependent effects to NICE-OHMS. While such profiles are well-known for absorption, there were no expressions available for their dispersion counterparts. Such expressions have been derived and validated by accompanying experiments. vi) The applicability of the technique for elemental detection, then referred to as NICE-AAS, has been prophesied. 

Abstract [sv]

Brusimmun kavitetsförstärkt optisk-heterodyndetekterad molekylärspektroskopi (NICE-OHMS) är en laser-baserad spektroskopisk teknik som förenar frekvensmodulation (för reducring av 1/f-brus genom detektion vid en hög frekvens) och kavitetsförstärkning (KF, för en förlängning av den optiska väglangden) på ett unikt sätt. Korrekt realiserad uppvisar tekniken en inneboende immunitet mot omvandling av frekvensbrus till intensitetsbrus som många andra KF-tekniker är begränsade av. Allt detta ger tekniken en exceptionellt hög känslighet för molekyldetektion. Ursprungligen utvecklad för frekvensstandardändamål i slutet av 1990, har den sedan dess utvecklats för molekylspektroskopi och spårgasdetektering. Denna avhandling fokuserar på vidareutvecklingen av NICE-OHMS mot en tillämpbar, ultrakänslig detektionsteknik. Ett antal koncept har adresserats. Några av dessa är: i) Detektionskänsligheten hos fiberlaserbaserad NICE-OHMS har förbättrats till 10-12 cm-1 området, vilket för detektion av C2H2 i gasfas motsvarar några få ppt (parts per biljon, 1:1012), genom att förbättra låsningen av lasern till en kavitetsmod med hjälp av en akustooptisk modulator. ii) Det har demonstrerats att NICE-OHMS kan realiseras mer kompakt med hjälp av en fiber-kopplad optisk cirkulator. iii) En systematisk och grundlig utredning av de experimentella förhållanden som ger maximala signaler, betecknade de optimala förhållanden, t.ex. modulering och demodulering och kavitetslängden, har utförts. Som ett led i detta har ett uttryck för NICE-OHMS linjeform bortom den konventionella triplett formalismen föreslagits och verifierats. iv) För att bredda tillämpbarheten av NICE-OHMS för detektering av tryckbreddade signaler har även en instrumentering baserad på en distribuerad-återkopplad (eng. distributed feedback, DFB) laser realiserats. v) I detta område kan inte Voigt profilen modellera signalen med den noggrannhet som krävs för en korrekt bedömning av analytkoncentrationer. Därför visar avhandlingen de första implementeringarna i NICE-OHMS av linjeprofiler som inkluderar Dicke avsmalning (eng. Dicke narrowing) och hastighetsberoende effekter (eng. speed-dependent effects). Emedan sådana profiler är välkända för absorption, fanns det inga uttryck för deras dispersiva motparter. Sådana uttryck har därför härletts och validerats av medföljande experiment. vi) Tillämpbarheten av tekniken för detektion av atomer, NICE-AAS, har diskuterats och förutspåtts. 

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Umeå: Umeå universitet, 2014. s. 108
Nyckelord
NICE-OHMS, Frequency Modulation, Cavity Enhancement, Molecular Spectroscopy
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:umu:diva-92510 (URN)978-91-7601-107-2 (ISBN)
Disputation
2014-09-25, Naturvetarhuset (N450), Johan Bures väg, Umeå, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet, 621-2008-3674Vetenskapsrådet, 621-2011-4216
Anmärkning

Ytterligare forskningsfinansiär: Kempestiftelserna

Tillgänglig från: 2014-09-04 Skapad: 2014-08-27 Senast uppdaterad: 2018-06-07Bibliografiskt granskad
2. Cavity enhanced optical sensing
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Cavity enhanced optical sensing
2015 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Alternativ titel[sv]
Kavitetsförstärkt optisk detektion
Abstract [en]

An optical cavity comprises a set of mirrors between which light can be reflected a number of times. The selectivity and stability of optical cavities make them extremely useful as frequency references or discri­mi­nators. With light coupled into the cavity, a sample placed inside a cavity will experience a significantly increased interaction length. Hence, they can be used also as amplifiers for sensing purposes. In the field of laser spectroscopy, some of the most sensitive techniques are therefore built upon optical cavities. In this work optical cavities are used to measure properties of gas samples, i.e. absorption, dispersion, and refractivity, with unprecedented precision.

The most sensitive detection technique of all, Doppler-broadened noise-immune cavity enhanced optical heterodyne molecular spectrometry (Db NICE-OHMS), has in this work been developed to an ultra-sensitive spectroscopic technique with unprecedented detection sensitivity. By identifying limiting factors, realizing new experimental setups, and deter­mining optimal detection conditions, the sensitivity of the technique has been improved several orders of magnitude, from 8 × 10-11 to 9 × 10-14 cm-1. The pressure interval in which NICE-OHMS can be applied has been extended by deri­vation and verification of dispersions equations for so-called Dicke narrowing and speed dependent broadening effects. The theoretical description of NICE-OHMS has been expanded through the development of a formalism that can be applied to the situations when the cavity absorption cannot be considered to be small, which has expanded the dynamic range of the technique. In order to enable analysis of a large number of molecules at their most sensitive transitions (mainly their funda­mental CH vibrational transitions) NICE-OHMS instrumentation has also been developed for measurements in the mid-infrared (MIR) region. While it has been difficult to realize this in the past due to a lack of optical modulators in the MIR range, the system has been based on an optical para­metric oscillator, which can be modulated in the near-infrared (NIR) range.

As the index of refraction can be related to density, it is possible to retrieve gas density from measurements of the index of refraction. Two such instru­men­tations have been realized. The first one is based on a laser locked to a measure­ment cavity whose frequency is measured by compassion with an optical frequency comb. The second one is based on two lasers locked to a dual-cavity (i.e. one reference and one measurement cavity). By these methods changes in gas density down to 1 × 10-9 kg/m3 can be detected.

All instrumentations presented in this work have pushed forward the limits of what previously has been considered measurable. The knowledge acquired will be of great use for future ultrasensitive cavity-based detection methods.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Umeå: Umeå universitet, 2015. s. 124
Nyckelord
Optical resonators, Fiber Laser, Parametric oscillators, Optical frequency comb, Infrared, Spectroscopy heterodyne, Spectroscopy molecular, Absorption, Dispersion, Lineshapes, Optical standards and testing, Refractivety measurements
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Identifikatorer
urn:nbn:se:umu:diva-110278 (URN)978-91-7601-338-0 (ISBN)
Disputation
2015-11-13, KBC-huset, KB3A9 (lilla hörsalen i KBC-huset), Umeå universitet, Umeå, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
VetenskapsrådetKempestiftelserna
Tillgänglig från: 2015-10-23 Skapad: 2015-10-19 Senast uppdaterad: 2018-06-07Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltext

Personposter BETA

Ehlers, PatrickSilander, IsakWang, JunyangFoltynowicz, AleksandraAxner, Ove

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Ehlers, PatrickSilander, IsakWang, JunyangFoltynowicz, AleksandraAxner, Ove
Av organisationen
Institutionen för fysik
I samma tidskrift
Optics Letters
Atom- och molekylfysik och optik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 427 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf