Spektroskopi med optiska frekvenskammar Aleksandra Foltynowicz Institutionen för fysik, Umeå Universitet Fortbildningsdagar, Umeå Universitet, 29 okt 2013 Vad är spektroskopi? • Växelverkan mellan ljus och materia • Materiens struktur och innehåll http://boojum.as.arizona.edu/~jill/NS102_2006/Spectra/spectra.html Översikt • Ljus • Atomer och molekyler • Absorptionspektroskopi • Laserspektroskopiska tillämpningar • Optiska frekvenskammar • Tillämpningar av optisk frekvenskamspektroskopi Ljuskällor Lasrar Lampor (Svartkroppsstrålning) • Vitt ljus (svartkroppsstrålning) • En våglängd (monokromatiskt) • Isotropisk emission (lyser åt alla håll) • Riktad ljusutbredning (stråle) • Låg intensitet • Hög intensitet http://www.elixa.com/light/healing.htm http://www.laserfest.org/lasers/pictures.cfm http://www.olympusmicro.com/primer/lightandcolor/lightsourcesintro.html http://www.zmescience.com/space/sun-perfect-sphere-in-nature-013232/ Spektra av atomer Emission Absorption Fotonens energi Plancks konstant E= h= ν E 2 − E1 p optisk frekvens http://simmonds.wikidot.com/image:absorption-jpg http://terrytao.wordpress.com/2010/09/14/a-second-draft-of-a-non-technical-article-on-universality/ http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/absorption.html Molekylspektra Vibration Rotation http://molecularbiologis.blogspot.se/ http://physics.highpoint.edu/~mdewitt/phy1050/?page=week3 http://boojum.as.arizona.edu/~jill/NS102_2006/Spectra/spectra.html http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast161/Unit5/atmos.html Absorptionspektroskopi Laser I0 Gas L IA fotodiod Absorptionsignal Intensitet Beer - Lamberts lag absorptionskoefficient I A (ν ) = I 0 e −α (ν ) L optisk frekvens absorptionslängd linjestyrka Absorptionskoefficient Relativ optisk frekvens linjeform α (ν ) = Sn χ (ν ) densitet (α L )min = 10−3 Hur att förbättra absorptionskänsligheten? • Minska bruset moduleringstekniker (α L )min = 10−6 • Öka signalen linjestyrka linjeform α (ν ) L = Sn χ (ν ) L densitet absorptionslängd • Välj en stark övergång • Förläng växelverkanslängden Hur att förbättra absorptionskänsligheten? • Välj en stark övergång Detektera små mängder Finns en lämplig laserkälla? • Förläng växelverkanslängden Multipasscell Kavitet (α L )min = 10−10 http://www.photonicstechnologies.com/item/news2/ Laser absorptionspektroskopi • Svepbara lasrar – nå övergångar i molekyler • Hög upplösning – skilja mellan olika molekyler • Hög känslighet – detektera små absorption/mängder • Hög noggrannhet – mäta koncentration med precision • Korta mättider – följa snabba förändringar i koncentration • Beröringsfri metod • Robust och begränsad storlek Var används laserspektroskopi? • Grundforskning Molekylär struktur Kemiska reaktioner Er3+ jon Teknisk utveckling Teoretisk beskrivning http://www.chem.unc.edu/people/faculty/baer/index.html?display=research_display&show=all http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/jm/c2jm31386c Var används laserspektroskopi? • Grundforskning • Industri Tunable Diode Laser Spectroscopy (TDLS) Förbränningsprocesser kolmonoxiddetektion Kolkraftverk Avfallsförbränning Metallindustri processtyrning syre, vätefluorid, CO, CO2 temperaturmättning Zirkonium syre sensor TDLS www.airoptic.pl Var används laserspektroskopi? • Grundforskning • Industri Växthusgaser Föroreningar Isotopanalys • Klimatforskning Föroreningar formaldehyd Flödeskovarians (eddy covariance) lustgas och metan http://dc3blog.wordpress.com/category/uncategorized/ http://imk-ifu.fzk.de/395.php Var används laserspektroskopi? • Grundforskning • Industri ’Curiosity’ Rover på Mars metan, vatten, koldioxid • Klimatforskning • Rymden http://www.t3.com/news/nasas-mars-curiosity-rover-lands-safely http://msl-scicorner.jpl.nasa.gov/Instruments/SAM/ Vad är det som saknas? • Hög känslighet  • Hög noggrannhet och precision  • Hög specificitet (upplösning)  • Korta mättider  • Robust och begränsad storlek  • Multiämnesdetektion x hittills: ett lasersystem – en typ av molekyl!! En optisk frekvenskam Tusentals synkroniserade lasermoder!! Nobelpris 2005 John Hall och Theodor Hänsch för deras bidrag till utvecklingen av laserbaserad precisionsspektroskopi, inkluderande den optiska frekvenskamstekniken S. Cundiff & J. Ye, Rev. Mod. Phys. 75, 325 (2003) http://www.fisi.polimi.it/en/research/research_structures/laboratories/54063 Hur skapas en optisk frekvenskam? En kontinuerlig laser En puls Tåg av modlåsta pulser Time τ fr = 1/T T 1/τ Frequency S. Cundiff et al., Scientific American (2008) En optisk frekvenskam Modlåst laser T pulsperiod τ (nanosekunder, 10-9 s) pulsens varaktighet (femtosekunder, 10-12 s) Frekvens hos den n:te kammens mod: repetitionsfrekvens (fr = 1/T) ν= nfr + f0 n modsnummer offset frekvens bandbredd (1/τ) credit: Todd Johnson and Scott Diddams, NIST, Boulder, CO Spektroskopi med en optisk frekvenskam Kammens moder Frekvenskam Molekulär absorption gas Transmitterade moder detektion credit: Todd Johnson and Scott Diddams, NIST, Boulder, CO Kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi Modlåst laser (frekvenskam) - bred spectral täckning - hög upplösning - flerämnesdetektion Optisk kavitet - hög känslighet Bredbandigt detektionssytem - korta mättider credit: Baxley/JILA, Boulder, CO Kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi Baxley/JILA Nuvarande status • Väldigt snabb utveckling (10 år) – nya laserkällor – nya detektionsstrategier – enklare och mer robusta detektionssystem • <10 forskargrupper i världen • Demonstrerade tillämpningar (i laboratorier) – – – – – grundforskning utandningsluftsanalys miljöövervakning klimatforskning – i Arktis! halvledarindustri credit: Baxley/JILA, Boulder, CO Karakterisering av steriliseringsapparat Förväntade molekyler: O3, N2O, NO2, H2O2 OH, NO Steriliseringseffektivitet M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012) Multiämnesdetektion Spektrum mätt i 1.2 s M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012) Multiämnesdetektion Mätt spektrum Simulerade spektra Sammanlagt spektrum M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012) Koncentrationsmätning Med väteperoxid N2O 16 ± 3 ppm NO2 15 ± 1 ppm 394 ± 14 ppm O3 H2O2 415 ± 14 ppm Utan väteperoxid N2 O 24.0 ± 0.6 ppm 18.9 ± 0.1 ppm NO2 O3 756 ± 6 ppm H2O2 6 ± 2 ppm Plasma av Plasma på Plasma av Plasma av Plasma på Pump av M. Golkowski et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 1984 (2012) Sammanfattning • Bred spektral täckning – multiämnesdetektion • Hög upplösning – noggrannhet • Hög känslighet – spårgasdetektion • Korta mättider – studera dynamik • Potentiella tillämpningar – – – – grundforskning klimatforskning halvledarindustri utandningsluftsanalys Optisk frekvenskamspektrokopi @ UmU • • • • • Forskningsgruppen initierades 2012 Första systemet – när-infraröd laser, optisk kavitet, Fouriertransformspektrometer Andra systemet (2014) – mid-infraröd laser, molekylär ’fingeravtryckområde’ Teknisk utveckling och teoretisk beskrivning av signaler Tillämpningar: – förbränningsprocesser – klimatforskning – utandningsluftsanalys Tack! aleksandra.foltynowicz@physics.umu.se www.physics.umu.se/english/research/AMO+Physics/optical-frequency-comb-spectroscopy/