Optical frequency comb spectroscopy in the mid-infrared
- Reference number
- ICA12-0031
- Start and end dates
- 130901-170831
- Amount granted
- 3 000 000 SEK
- Administrative organization
- Umeå University
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
Optical frequency comb spectroscopy is a novel technique that combines the high resolution and sensitivity of laser spectroscopy with broad spectral coverage and allows simultaneous multispecies detection in short acquisition times. The aim of the project is to develop a mid-infrared optical frequency comb based system for sensitive detection of molecules in gas phase. We will construct a mid-infrared optical parametric oscillator (OPO) pumped by a femtosecond Er:fiber laser. The OPO will emit in the 2.8–3.7 µm range, where the strong fundamental transitions of many molecules lie. We will achieve high absorption sensitivity with the use of an enhancement cavity and a detection scheme based on a fast-scanning Fourier transform spectrometer in combination with frequency modulation technique. The system will allow detection of hydrocarbons, nitrogen oxides, and ozone at concentrations at the part-per-billion level in acquisition times of a few seconds. We will perform sub-Doppler spectroscopy with the resolved modes of the frequency comb to achieve high resolution over broad spectral range. We will employ the technique for systematic studies of absorption line shapes and parameters. One of the most promising uses of the technique is the detection of biomarker molecules in human breath as a non-invasive method of detection of diseases at their early stage. Other future applications include atmospheric and climate studies, industrial process control and explosives detection.
Popular science description
Laserbaserade spektroskopiska tekniker används ofta för detektion av molekyler i gasfas, t.ex. för övervakning av miljöfarliga ämnen i luft och detektion av toxiska substanser, eftersom de kan erbjuda hög känslighet och noggrannhet. Då svepbarheten hos de flesta lasrar är begränsad kan dock endast övergångar i ett litet antal ämnen nås med en given laser. Detta medför att multiämnesdetektion är svårt och tidskrävande med sådana tekniker. Ett genombrott kom i början av 2000-talet med utvecklingen av optiska frekvenskammar, som produceras av modlåsta lasrar. Pulserna från dessa lasrar kommer i mycket regelbundna tidsintervall och varje puls varar enbart några femtosekunder. Detta tåg av pulser har en kamstruktur i frekvensrummet, där kammens olika ”tänder” är separerade med laserns repetitionshastighet. Eftersom en frekvenskam består av tusentals exakt definierade moder kan den fungera som mycket exakt ljuslinjal och har därför revolutionerat precisionsmetrologin, vilket uppmärksammades genom 2005 års Nobelpris. Den unika kombinationen av ett brett optiskt frekvensområde och en hög spektral upplösning har öppnat nya spännande möjligheter inom spektroskopiområdet. Spektroskopi utfört med optiska frekvenskammar motsvarar en samtidigt mätning med tusentals synkroniserade laserlinjer och möjliggör samtida detektion av en mängd ämnen i gasfas. För att öka känsligheten kan kammen kopplas till en extern kavitet i vilken ett prov som skall analyseras släpps in. En kavitet består huvudsakligen av två speglar mellan vilka ljuset går fram och tillbaka ett stort antal gånger och kan därför växelverka med provet över ett avstånd som är flera tusen gånger längre än den fysiska längden hos kaviteten. Syftet med detta projekt är att utveckla ett känsligt bredbandsdetektionssystem baserat på en frekvenskam och en extern kavitet för molekyler som har stor betydelse inom utandningsanalys, atmosfär- och klimatanalys, industriell processkontroll och sprängämnesdetektion. Då de starkaste rotations-vibrationsövergångarna i molekyler ligger i det mid-infraröda våglängdsområdet, kommer en frekvenskam som täcker det så kallade molekylära fingeravtrycksområdet konstrueras. Systemet kommer att användas både för grundforskning och för praktiska tillämpningar. En av de viktigaste potentiella tillämpningar är analys av utandningsluft, som kan användas för att beröringsfritt diagnostisera sjukdomar, eftersom många molekyler har identifierats som biomarkörer för specifika sjukdomar.