Optyczna heterodynowa spektroskopia molekularna wzmocniona optyczną heterodyną odporną na zakłócenia

Odporna na zakłócenia spektroskopia molekularna z heterodyną optyczną wzmocnioną wnęką ( NICE-OHMS ) to ultraczuła laserowa technika absorpcyjna , która wykorzystuje światło laserowe do oceny stężenia lub ilości związków w fazie gazowej za pomocą spektrometrii absorpcyjnej (AS).

Zasady

Technika NICE-OHMS łączy spektrometrię absorpcyjną wzmocnioną wnęką (CEAS) w celu wydłużenia długości oddziaływania z próbką ze spektrometrią z modulacją częstotliwości (fm) FMS w celu redukcji szumu 1/f . Wybierając częstotliwość modulacji fm równą swobodnemu zakresowi widmowemu (FSR) wnęki, wszystkie składowe trypletu widmowego fm są transmitowane przez wnękę w identyczny sposób. Dlatego wnęka nie narusza równowagi trójki fm, która w przeciwnym razie spowodowałaby powstanie sygnałów tła fm. Nie przekształca również żadnych fluktuacji częstotliwości lasera w odniesieniu do trybu transmisji wnęki na modulację intensywności, co pogorszyłoby wykrywalność przez wprowadzenie szumu intensywności. Nazywa się to „odpornością na zakłócenia”. Wszystko to oznacza, że ​​FMS można wykonać tak, jakby ubytku nie było, ale w pełni korzystając z przedłużonej długości interakcji. [ potrzebny cytat ]

Rodzaje sygnałów

Dzięki NICE-OHMS można uzyskać różnorodne sygnały. [ potrzebne źródło ] Po pierwsze, ze względu na obecność w jamie wiązek przeciwprądowych o dużym natężeniu, można uzyskać zarówno sygnały z rozszerzeniem Dopplera, jak i bez efektu Dopplera. Te pierwsze mają tę zaletę, że występują przy wysokich ciśnieniach w komorze, co jest odpowiednie do analizy próbek pod ciśnieniem atmosferycznym, podczas gdy te drugie zapewniają wąskie charakterystyki częstotliwości, co jest ważne w zastosowaniach z normami częstotliwości, ale także otwiera możliwości detekcji wolnej od zakłóceń . Po drugie, dzięki zastosowaniu FMS można wykrywać zarówno sygnały absorpcyjne, jak i dyspersyjne (lub ich kombinację). Po trzecie, aby zmniejszyć wpływ hałasu o niskiej częstotliwości, modulacja długości fali ( wm ) można dodatkowo zastosować, co oznacza, że ​​technika może być obsługiwana w trybie fm lub wm . [ potrzebne źródło ]

Preferowany tryb działania zależy od konkretnego zastosowania techniki i panujących warunków doświadczalnych, głównie rodzaju szumu lub sygnału tła, który ogranicza wykrywalność.

Modelowanie sygnałów

długością fali sygnały NICE-OHMS z modulacją Dopplera z 13 ppb (10 μTorr, 13•10-9 atm ) C2H2 . Pojedyncze znaczniki: dane pomiarowe; Krzywe bryłowe: dopasowania teoretyczne.

Sygnały poszerzone metodą Dopplera z modulacją częstotliwości mogą być modelowane w zasadzie jako zwykłe sygnały fm , chociaż należy zastosować rozszerzony opis, jeśli przejście jest optycznie nasycone. Rozszerzenie Dopplera z modulacją długości fali można modelować, stosując konwencjonalną teorię modulacji długości fali na sygnałach fm.

Ponieważ pole elektryczne w NICE-OHMS składa się z trzech modów, nośnika i dwóch wstęg bocznych, które rozchodzą się we wnęce w kierunku dodatnim i ujemnym, może pojawić się do dziewięciu sygnałów subdopplerowskich; cztery pojawiające się w fazie absorpcji i pięć w fazie dyspersji. Każdy z tych sygnałów może z kolei pochodzić z interakcji między kilkoma grupami cząsteczek o różnych parach modów (np. nośnik-nośnik, wstęga boczna-nośnik, wstęga boczna-wstęga boczna w różnych kombinacjach). Ponadto, ponieważ sygnały subdopplerowskie z konieczności wiążą się z nasyceniem optycznym, każda z tych interakcji musi być modelowana za pomocą bardziej szczegółowego opisu. Oznacza to, że sytuacja może być skomplikowana. W rzeczywistości nadal istnieją pewne typy sygnałów subdopplerowskich, dla których jak dotąd nie ma odpowiedniego opisu teoretycznego. [ potrzebne źródło ]

Typowe sygnały

Niektóre typowe sygnały NICE-OHMS z rozszerzeniem Dopplera, od 13 ppb (10 μTorr, 13•10-9 atm ) C 2 H 2 wykryte we wnęce z finezją 4800, pokazano na rysunku. (a) fm – oraz (b) wm – sygnał. Pojedyncze znaczniki: dane pomiarowe; Krzywe bryłowe: dopasowania teoretyczne.

Wydajność

Unikalne cechy NICE-OHMS, w szczególności jego wysoka czułość, sugerują, że ma on duży potencjał do różnorodnych zastosowań. Po raz pierwszy opracowany do zastosowań w standardach częstotliwości, ze zdumiewającą wykrywalnością 10-14 cm - 1 , został później wykorzystany do badań spektroskopowych, a także wykrywania chemicznego i wykrywania związków śladowych, z wykrywalnością w zakresie 10-11-10-10 cm- 1 zakres. Jednakże, chociaż wykazano, że technika NICE-OHMS ma niezwykle wysoką wykrywalność, jak dotąd rozwijano ją jedynie w niewielkim stopniu w kierunku analizy gazów śladowych.

Jedną z największych przeszkód we wdrażaniu techniki NICE-OHMS jest bezsprzecznie zablokowanie częstotliwości lasera do częstotliwości modu wnękowego. Chociaż wymagania dotyczące wykonania blokady są mniej rygorystyczne niż w przypadku innych bezpośrednich technik cw-CEAS (ze względu na zasadę odporności na zakłócenia), częstotliwość lasera nadal musi być utrzymywana w trybie wnęki podczas akwizycji sygnału, tj. postępuj zgodnie z trybem podczas skanowania ubytku, w tym możliwą modulacją długości fali. Osiągnięcie tych celów może być trudne, jeśli swobodna szerokość linii lasera jest znacznie większa niż szerokość trybu wnęki i jeśli laser jest podatny na nagłe skoki częstotliwości z powodu hałasu technicznego z otoczenia. Zwykle ma to miejsce podczas pracy z wnękami o średniej lub wysokiej finezji (z szerokościami modów transmisji w zakresie niskich kHz) i standardowymi typami laserów, np. laserami diodowymi z wnęką zewnętrzną (ECDL), ze swobodnymi szerokościami linii w zakresie MHz. Następnie potrzebne są elektroniczne pętle sprzężenia zwrotnego o dużej szerokości pasma (zwykle kilka MHz) i dużym wzmocnieniu, aby połączyć znaczną ilość mocy lasera z trybem wnęki i zapewnić stabilne działanie zamka. [ potrzebne źródło ]

Wraz z pojawieniem się laserów światłowodowych o wąskiej szerokości linii , problemy związane z blokowaniem lasera mogą zostać znacznie zmniejszone. Obecnie dostępne są lasery światłowodowe ze swobodnymi liniami o szerokości zaledwie 1 kHz (mierzonej przez ułamek sekundy), a więc o dwa do trzech rzędów wielkości niższej niż w przypadku ECDL. Najwyraźniej ta funkcja znacznie upraszcza elektronikę sprzężenia zwrotnego (wystarczą szerokości pasma tak niskie, jak 10 kHz) i procedurę blokowania. Ponadto konstrukcja i zasada działania laserów światłowodowych sprawiają, że są one mniej podatne na zakłócenia zewnętrzne, np. hałas mechaniczny i akustyczny, niż inne lasery na ciele stałym lub ECDL. Ponadto dostępność zintegrowanych komponentów optycznych, takich jak światłowodowe modulatory elektrooptyczne (fiber EOM), oferuje możliwość dalszego zmniejszenia złożoności konfiguracji. Niedawno zademonstrowano pierwsze realizacje systemu NICE-OHMS opartego na laserze światłowodowym i światłowodowym EOM. Wykazano, że Cz 2H 2 można wykryć do 4,5•10-12 atm (4,5 ppt) za pomocą bardzo wytrzymałego oprzyrządowania . Oczywiste jest, że zbliżyło to NICE-OHMS o krok do stania się praktycznie użyteczną techniką wykrywania ultraczułych gatunków śladowych!

Zobacz też

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Noise-immune_cavity-enhanced_optical_heterodyne_molecular_spectroscopy&oldid=953436501 ”