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
Signal line shapes of Fourier-transform cavity-enhanced frequency modulation spectroscopy with optical frequency combs
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
2017 (Engelska)Ingår i: Journal of the Optical Society of America. B, Optical physics, ISSN 0740-3224, E-ISSN 1520-8540, Vol. 34, nr 2, s. 358-365Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

We present a thorough analysis of the signal line shapes of Fourier-transform-based noise-immune cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy (NICE-OFCS). We discuss the signal dependence on the ratio of the modulation frequency, f(m), to the molecular linewidth, G. We compare a full model of the signals and a simplified absorption-like analytical model that has high accuracy for low f(m)/G ratios and is much faster to compute. We verify the theory experimentally by measuring and fitting the NICE-OFCS spectra of CO2 at 1575 nm using a system based on an Er: fiber femtosecond laser and a cavity with a finesse of similar to 11000. 

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
2017. Vol. 34, nr 2, s. 358-365
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:umu:diva-133206DOI: 10.1364/JOSAB.34.000358ISI: 000394028400019OAI: oai:DiVA.org:umu-133206DiVA, id: diva2:1088666
Tillgänglig från: 2017-04-13 Skapad: 2017-04-13 Senast uppdaterad: 2018-11-13Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Fourier transform and Vernier spectroscopy using optical frequency combs
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Fourier transform and Vernier spectroscopy using optical frequency combs
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Alternativ titel[sv]
Fouriertransform- och Vernierspektroskopi med optiska frekvenskammar
Abstract [en]

Optical frequency comb spectroscopy (OFCS) combines two previously exclusive features, i.e., wide optical bandwidth and high spectral resolution, enabling precise measurements of entire molecular bands and simultaneous monitoring of multiple gas species in a short measurement time. Moreover, the equidistant mode structure of frequency combs enables efficient coupling of the comb power to enhancement resonant cavities, yielding high detection sensitivities. Different broadband detection methods have been developed to exploit the full potential of frequency combs in spectroscopy, based either on Fourier transform spectroscopy or on dispersive elements.There have been two main aims of the research presented in this thesis. The first has been to improve the performance of mechanical Fourier transform spectrometers (FTS) based on frequency combs in terms of sensitivity, resolution and spectral coverage. In pursuit of this aim, we have developed a new spectroscopic technique, so-called noise-immune cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy (NICE-OFCS), and achieved a shot-noise-limited sensitivity and low ppb (parts-per-billion, 10−9) CO2 concentration detection limit in the near-infrared range using commercially available components. We have also realized a novel method for acquisition and analysis of comb-based FTS spectra, a so-called sub-nominal resolution method, which provides ultra-high spectral resolution and frequency accuracy (both in kHz range, limited only by the stability of the comb) over the broadband spectral range of the frequency comb. Finally, we have developed an optical parametric oscillator generating a frequency comb in the mid-infrared range, where the strongest ro-vibrational molecular absorption lines reside. Using this mid-infrared comb and an FTS, we have demonstrated, for the first time, comb spectroscopy above 5 μm, measured broadband spectra of several species and reached low ppb detection limits for CH4, NO and CO in 1 s.The second aim has been more application-oriented, focused on frequency comb spectroscopy in combustion environments and under atmospheric conditions for fast and sensitive multispecies detection. We have demonstrated, for the first time, cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy in a flame, detected broadband high temperature H2O and OH spectra using the FTS in the near-infrared range and showed the potential of the technique for flame thermometry. For applications demanding a short measurement time and high sensitivity under atmospheric pressure conditions, we have implemented continuous-filtering Vernier spectroscopy, a dispersion-based spectroscopic technique, for the first time in the mid-infrared range. The spectrometer was sensitive, fast, robust, and capable of multispecies detection with 2 ppb detection limit for CH4 in 25 ms.

Abstract [sv]

Optisk frekvenskamspektroskopi (OFCS) kombinerar två tidigare icke förenliga egenskaper, dvs. ett brett optiskt frekvensområde med en hög spektral upplösning, vilket möjliggör noggranna mätningar av hela molekylära absorptionsband och detektion av flera gaser samtidigt med en kort mättid. Eftersom frekvenskammar har en regelbunden struktur med jämnt separerade laser moder kan man effektivt koppla kammen till en optisk kavitet och därmed möjliggöra frekvenskamsdetektion med hög känslighet. Olika metoder har utvecklats för att utnyttja frekvenskammarnas fulla potential för spektroskopi, baserad på antingen Fouriertransform-spektroskopi eller dispersiva element.Forskningen som presenteras i denna avhandling har haft två huvudmål. Det första har varit att förbättra prestandan hos mekaniska Fourier-transformspektrometrar (FTS) baserat på frekvenskammar med avseende på känslighet, upplösning och spektral täckning. I strävan efter detta har vi utvecklat en ny spektroskopisk teknik, benämnd brusimmun kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi (NICE-OFCS), och uppnått en hagelbrusbegränsad känslighet och detektionsgränser ner till låga ppb koncentrationer (miljarddelar, 10−9) för CO2 i det när-infraröda frekvensområdet enbart med användning av kommersiellt tillgängliga komponenter. Vi har också utvecklat en ny metod för insamling och analys av kambaserade FTS-spektra, som betecknas ha sub-nominell upplösning. Metoden gör det möjligt att uppnå ultrahög spektral upplösning och hög frekvensnoggrannhet (båda i kHz-området, endast begränsad av kammens stabilitet) över kammens hela frekvensområde. Slutligen har vi utvecklat en optisk parametrisk oscillator som genererar en frekvenskam i det mid-infraröda frekvensområdet, där de starkaste rotations-vibrationsmolekylära absorptionslinjerna finns. Med hjälp av denna kam och en FTS har vi för första gången demonstrerat frekvenskamspektroskopi över 5 μm. Vi har detekterat bredbandsspektra av flera molekylära gaser och har, för mättider på 1 s, uppnått detektionsgränser ner till låga ppb halter för CH4, NO och CO.Det andra syftet har varit mer applikationsorienterat: att använda frekvenskamspektroskopi i förbränningsmiljö och under atmosfäriska förhållanden för snabb och känslig multiämnesdetektion. Vi har för första gången demonstrerat kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi i en flamma, där vi har detekterat högtemperaturspektra av H2O och OH i det när-infraröda området med användning av FTS och visat teknikens potential för termometrisk karakterisering av flammor. För applikationer som kräver en kort mättid och hög känslighet under atmosfäriska förhållanden har vi utvecklat ett detektionssystem baserat på Vernier-spektroskopi med kontinuerlig filtrering, vilket är en dispersionsbaserad teknik, för första gången i det mid-infraröda frekvensområdet. Det befanns att spektrometern var känslig, snabb, robust och kapabel till multiämnesdetektion med en detektionsgräns på 2 ppb för CH4 för korta mättider (25 ms).

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Umeå: Umeå University, 2017. s. 164
Nyckelord
optical frequency comb spectroscopy, molecular absorption, resonant cavity, Fourier transform spectroscopy, Vernier spectroscopy
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:umu:diva-134439 (URN)978-91-7601-671-8 (ISBN)
Disputation
2017-06-02, KB.E3.03, Stora Hörsalen, KBC building, Umeå, 13:15 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2017-05-12 Skapad: 2017-05-07 Senast uppdaterad: 2018-06-09Bibliografiskt granskad
2. Optical Frequency Comb Fourier Transform Spectroscopy
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Optical Frequency Comb Fourier Transform Spectroscopy
2018 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Fourier transform spectroscopy (FTS) based on optical frequency combs is an excellent spectroscopic tool as it provides broadband molecular spectra with high spectral resolution and an absolutely calibrated frequency scale. Moreover, the equidistant comb mode structure enables efficient coupling of the comb to enhancement cavities, yielding high detection sensitivity. This thesis focuses on further advances in comb-based FTS to improve its performance and extend its capabilities for broadband precision spectroscopy, particularly in terms of i) spectral resolution, ii) accuracy and precision of molecular parameters as well as concentrations retrieved from fitting models to spectra, and iii) species selectivity.

To improve the spectral resolution we developed a new methodology to acquire and analyze comb-based FTS signals that yields spectra with a resolution limited by the comb linewidth rather than the optical path difference of the FTS, referred to as the sub-nominal resolution method. This method enables measurements of narrow features, e.g. low-pressure absorption spectra and modes of enhancement cavities, with frequency scale accuracy and precision provided by the comb. Using the technique we measured low-pressure spectra of the entire 3ν13 carbon dioxide (CO2) band at 1575 nm with sufficient signal-to-noise ratio and precision to observe collision narrowing of the absorption lineshape, which was for the first time with a comb-based spectroscopic technique. This allowed retrieval of spectral line parameters for this CO2 band using the speed-dependent Voigt profile.

Using the sub-nominal resolution method, we measured the transmission modes of a Fabry-Perot cavity over 15 THz of bandwidth with kHz resolution and characterized the cavity modes in terms of their center frequency, linewidth, and amplitude. From the mode center frequencies, we retrieved the group delay dispersion of cavity mirror coatings and intracavity gas with an unprecedented combination of spectral bandwidth and resolution. By measuring both the mode broadening and frequency shift simultaneously we performed broadband cavity-enhanced complex refractive index spectroscopy (CE-CRIS), which allows for simultaneous and calibration-free assessment of the absorption and dispersion spectra of intracavity gas. In this first demonstration we measured the absorption and dispersion spectra of three combination bands of CO2 in the 1525 to 1620 nm range.

Another comb-based FTS technique is noise-immune cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy (NICE-OFCS), which combines phase modulation and cavity-enhancement to obtain broadband and highly sensitive absorption spectra. In this thesis we improved the NICE-OFCS technique in terms of stability, sensitivity and modeling of the NICE-OFCS signal. We implemented a model of the NICE-OFCS signal with multiline fitting for assessment of gas concentration. We also identified the optimum operating conditions of the NICE-OFCS systems for accurate gas concentration assessment.

Finally, to improve the species selectivity we combined comb-based FTS with the Faraday rotation spectroscopy (FRS) technique. In this first demonstration of optical frequency comb Faraday rotation spectroscopy (OFC-FRS), we measured background and interference-free spectra of the entire Q- and R-branches of the fundamental vibrational band of nitric oxide at 5.3 μm showing good agreement with the theoretical model.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Umeå: Umeå Universitet, 2018. s. 155
Nyckelord
Optical frequency comb spectroscopy, Fourier transform, molecular absorption & dispersion
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Forskningsämne
fysik
Identifikatorer
urn:nbn:se:umu:diva-153239 (URN)978-91-7601-983-2 (ISBN)
Disputation
2018-12-07, N430, Naturvetarhuset, Umeå, 09:15 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2018-11-16 Skapad: 2018-11-13 Senast uppdaterad: 2018-11-14Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltext

Personposter BETA

Johansson, Alexandra C.Rutkowski, LucileKhodabakhsh, AmirFoltynowicz, Aleksandra

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Johansson, Alexandra C.Rutkowski, LucileKhodabakhsh, AmirFoltynowicz, Aleksandra
Av organisationen
Institutionen för fysik
I samma tidskrift
Journal of the Optical Society of America. B, Optical physics
Atom- och molekylfysik och optik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 323 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