Mid-infraröd optisk frekvenskamspektroskopi
- Diarienummer
- ICA12-0031
- Start- och slutdatum
- 130901-170831
- Beviljat belopp
- 3 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Umeå University
- Forskningsområde
- Informations-, kommunikations- och systemteknik
Summary
Optisk frekvenskamspektroskopi är en ny teknik som kombinerar hög upplösning och känslighet av laserspektroskopi med bred spektral täckning och möjliggör samtidig detektion av flera ämnen i kort tid. Syftet med projektet är att utveckla ett mid-infrarött optiskt frekvenskamspektroskopisystem för känslig detektion av molekyler i gasfas. Vi kommer att bygga en mid-infraröd optisk parametrisk oscillator (OPO) med en femtosekund Er-dopad fiberlaser som en pump. OPOn kommer att emittera i 2.8-3.7 µm våglängdsområdet, där de starka fundamentala övergångar av många molekyler ligger. Vi ska uppnå en hög absorptionskänslighet genom att använda en extern kavitet och ett detektionsystem baserat på en snabb-skannande Fouriertransformspektrometer i kombination med frekvensmodulering teknik. Systemet kommer att möjliggöra detektion av kolväten, kväveoxider och ozon i miljarddelskoncentrationer med mättider på några sekunder. Vi ska utföra sub-Doppler spektroskopi med de upplösta moderna av frekvenskammen för att uppnå hög spektral upplösning över ett brett spektralområde. Vi kommer att använda optisk frekvenskamspektorskopi för systematiska studier av former av absorptionslinjer och deras parametrar. Ett av teknikens mest lovande användningsområden är utandningsluftanalys som en beröringsfri metod för detekterion av sjukdomar i deras tidiga stadium. Andra framtida tillämpningar är atmosfäriska- och klimat- studier, industriell processtyrning och sprängämnen detektion.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.