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
Differential noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy for improvement of the detection sensitivity by reduction of drifts from background signals
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik. State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy, Shanxi University, Taiyuan, China .
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik. State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy, Shanxi University, Taiyuan, China .
Umeå universitet, Teknisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik.
2017 (Engelska)Ingår i: Optics Express, ISSN 1094-4087, E-ISSN 1094-4087, Vol. 25, nr 23, s. 29454-29471Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

The detection sensitivity of noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy (NICE-OHMS) is often limited by background signals that bring in drifts. A novel realization of NICE-OHMS, termed differential NICE-OHMS, that both reduces such drifts and enlarges the molecular signal is presented. It is based on simultaneous detection of NICE-OHMS signals in reflection and transmission, followed by a subtraction of the former (properly weighted) from the latter. An Allan plot analysis shows that the instrumentation could demonstrate a noise equivalent absorption per unit length (NEAL) of 4.7 × 10−14 cm−1, obtained for an integration time of 170 s.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Optical Society of America, 2017. Vol. 25, nr 23, s. 29454-29471
Nationell ämneskategori
Atom- och molekylfysik och optik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:umu:diva-142459DOI: 10.1364/OE.25.029454ISI: 000415136700127OAI: oai:DiVA.org:umu-142459DiVA, id: diva2:1162498
Tillgänglig från: 2017-12-04 Skapad: 2017-12-04 Senast uppdaterad: 2018-11-06Bibliografiskt granskad
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

Förlagets fulltext

Personposter BETA

Zhao, GangHausmaninger, ThomasMa, WeiguangAxner, Ove

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Zhao, GangHausmaninger, ThomasMa, WeiguangAxner, Ove
Av organisationen
Institutionen för fysik
I samma tidskrift
Optics Express
Atom- och molekylfysik och optik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 153 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