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
Model for molecular absorption spectroscopy in the 1-100 Torr range in the presence of vibrational depletion - Applied to CH4 in N2 and dry air
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.ORCID-id: 0000-0002-6219-3296
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
(Engelska)Manuskript (preprint) (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

When molecules whose collision induced vibrational decay rates are small are probed by molecular absorption spectroscopic (MAS) techniques the absorption signal can, under certain conditions, be reduced and distorted. The reason has been attributed to the fact that a substantial fraction of the molecules in the interaction region will reside in excited vibrational states, which leads to a depletion of the vibrational ground state. One type of molecule in which this can take place is methane. A model for this phenomenon, based on CH4 in trace concentrations in either N2 or dry air in a cylindrical gas cell, detected by mid-infrared light in the 1 - 100 Torr pressure range, is presented. Due to a fast collisional coupling between various rotational states and velocity groups we suggest that depletion in MAS can be modeled adequately by a simple three-level system to which the transport of molecules in the system is coupled as diffusion according to Fick's law, applied to each level individually. The model is verified in a separate work [Hausmaninger T et al., J Quant Spectrosc Radiat Tr. 2017;205:59-70] with good agreement. It predicts that depletion has a strong pressure dependence in the 1 - 30 Torr range, that it is significantly more pronounced in N2 than in air, and that considerable degrees of depletion can be obtained for mW powers of light (> 10% for powers > 20 mW). The findings indicate that, unless precautions are taken, depletion can adversely affect quantitative assessments performed by MAS. Means of how to reduce depletion are given.

Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
fysik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:umu:diva-153063OAI: oai:DiVA.org:umu-153063DiVA, id: diva2:1261000
Tillgänglig från: 2018-11-06 Skapad: 2018-11-06 Senast uppdaterad: 2018-11-07
Ingår i avhandling
1. Mid- and near-infrared NICE-OHMS: techniques for ultra-sensitive detection of molecules in gas phase
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Mid- and near-infrared NICE-OHMS: techniques for ultra-sensitive detection of molecules in gas phase
2018 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectrometry (NICE-OHMS) is a technique for ultra-sensitive detection of molecular absorption and dispersion. For highest performance, the technique combines cavity enhancement (CE) with frequency modulation (FM); while the former increases the effective interaction length between the light and the analyte by several orders of magnitudes, the latter removes the in-coupling of 1/f noise and makes the signals background free. The combination of CE and FM also gives the technique an immunity to amplitude noise caused by the jitter of the laser frequency relative to the cavity resonance frequencies. All these properties make the technique suitable for ultra sensitive trace gas detection in the sub-parts-per-trillion (ppt) range. The aim of this thesis is to improve the performance of the NICE-OHMS technique and to increase its range of applications.

The work in this thesis can be divided into three areas:Firstly, a mid-infrared (MIR)-NICE-OHMS instrumentation was developed. In a first realization an unprecedented white-noise equivalent absorption limit for Doppler broadened (Db) detection in the MIR of 3×10-9 cm-1Hz-1/2was demonstrated. This was subsequently improved to 2.4×10-10 cm-1Hz-1/2allowing for detection methane and its two main isotopologues (CH3D and 13CH4) at their natural abundance.Secondly, further development of an existing near-infrared NICE-OHMS system was performed. This resulted in an improved longtime stability and the first shot-noise limited NICE-OHMS system for Db detection with a noise equivalent absorption limit of 2.3×10-14 cm-1detected over 200 s. Thirdly, models and theoretical descriptions of NICE-OHMS signals under strong absorption conditions and from methane under high laser power were developed. It was experimentally verified that the models allow for a more accurate evaluation of NICE-OHMS signals under a wide range of conditions.

Abstract [sv]

Brusimmun kavitetsförstärkt optisk-heterodyndetekterad molekylärspektroskopi (eng.Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectrometry, NICE-OHMS) är en teknik för ultrakänslig detektion av molekylär absorption och dispersion. NICE-OHMS-tekniken kombinerar kavitetsförstärkning (eng. CE) med frekvensmodulering (FM); emedan den första väsentligt ökar den effektiva interaktionslängden mellan ljuset och analyten vilket ökar teknikens känslighet, tar den senare bort inkopplingen av 1/f-brus och gör signalerna bakgrundsfria. Kombinationen av CE och FM ger också tekniken en immunitet mot amplitudstörning som orsakas av jitter hos laserljusets frekvens i förhållande till kavitetsresonansfrekvenserna. Alla dessa egenskaper gör tekniken lämplig för ultrakänslig spårgasdetektering i och under ppt (eng. parts-per-trillion) - området. Syftet med denna avhandling är att förbättra prestandan hos NICE-OHMS-tekniken och att öka dess tillämpningspotential.

Avhandlingen kan delas in i tre delar: Inom den första utvecklades en mid-infraröd (MIR)-NICE-OHMS instrumentering. Vid en första realisering påvisades en aldrig tidigare uppnådd vitt-brus-ekvivalent absorptionsgräns för Dopplerbreddad (Db) detektering i MIR området på 3 × 10-9 cm-1Hz-1/2. Detta förbättrades därefter till 2,4 x 10-10 cm-1Hz-1/2, vilket möjliggör detektering av metan och dess två huvudsakliga isotopologer (CH3D och 13CH4) vid deras naturliga förekomst. Inom det andra området utfördes vidareutveckling av ett existerande NICE-OHMS-system verksamt i det när-infraröda (NIR) området. Detta resulterade i en förbättrad långtidsstabilitet och en brus-ekvivalent absorptionsgräns för Db detektion på 2,3 × 10-14 cm-1 mätt över 200 s. Inom den tredje utvecklades modeller och teoretiska beskrivningar av NICE-OHMS under starka absorptionsförhållanden och från metan under hög laserintensitet. Det var experimentellt verifierat att modellerna möjliggör en mer noggrann utvärdering av NICE-OHMS-signalerunder ett stort antal förhållanden.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Umeå: Umeå universitet, 2018. s. 139
Nyckelord
spectrometry, NICE-OHMS, trace gas detection, acetylene, methane, isotopologues, near-infrared, mid-infrared, shot-noise, optical parametric oscillator
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
teknisk fysik med inriktningen mikrosystemteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:umu:diva-153068 (URN)978-91-7601-977-1 (ISBN)
Disputation
2018-11-30, N450, Naturvetarhuset, Umeå, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2018-11-09 Skapad: 2018-11-06 Senast uppdaterad: 2018-11-13Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

URL

Personposter BETA

Hausmaninger, ThomasMa, WeiguangAxner, Ove

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Hausmaninger, ThomasMa, WeiguangAxner, Ove
Av organisationen
Institutionen för fysik
Atom- och molekylfysik och optik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetricpoäng

urn-nbn
Totalt: 79 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