Application of interferometry and cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy to background-free trace gas detection

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6563-3
Title: Application of interferometry and cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy to background-free trace gas detection
Author: Tomberg, Teemu
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry
Doctoral Programme in Chemistry and Molecular Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-16
URI: http://hdl.handle.net/10138/319590
http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6563-3
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: A trace amount of a specific gas in air, breath, or an industrial process can profoundly affect the chemistry and properties of the medium. Therefore, an accurate measurement of the concentration of the trace gas can provide invaluable information. This thesis focuses on the development of trace gas detection methods based on background-free laser absorption spectroscopic techniques. Background-free techniques possess characteristics that greatly benefit the detection of minuscule amounts of gases. These include, for example, scalability with optical power and diminished sensitivity to optical power fluctuations. The thesis deals with two spectroscopic approaches: a novel interferometric method for broadband optical background suppression in absorption spectroscopy, and cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy. We performed the spectroscopy mainly in the two atmospheric windows of 2000 to 3000 cm^(−1) and 800 to 1200 cm^(−1) found in the mid-infrared region. The employed light sources encompass various broadband and single mode laser devices, including optical parametric oscillators, optical frequency combs, and a quantum cascade laser. The presented results include a demonstration of the interferometric background suppression with a state-of-the-art mid-infrared dual-comb spectrometer. We used the setup to compare the signal-to-noise ratio in direct absorption spectroscopy with and without the background suppression technique. The novel method was found to improve the signal-to-noise ratio by approximately a factor of five. The improvement was limited by the available optical power, and is expected to increase considerably with high power laser light sources. In the cantilever-enhanced photo-acoustic experiments, we investigated the use of high optical power in improving the trace gas detection performance. Using a high power mid-infrared optical parametric oscillator as a laser light source, we reached a record level noise equivalent concentration of 2.5 ppt in 15 s measurement time for hydrogen fluoride. In another work, we reached a record normalised noise equivalent absorption of 1.75×10^(−12) W cm^(−1) Hz^(−1/2) by using an optical build-up cavity to enhance the optical power in the photo-acoustic cell. Lastly, we presented results on hyphenation of the cantilever-enhanced photo-acoustic detector and a gas chromatograph. With the hyphenation, we demonstrated the capability of quantitatively analysing a complex mixture of small to large molecular weight compounds, at a detection sensitivity far better than what can be obtained with a conventional Fourier-transform based infrared detector used in gas chromatography. Quantitative analysis of the sample would have been difficult for laser absorption spectroscopy without the chromatographic separation. The results show a great potential for laser absorption spectroscopy to be used as a detector for gas chromatography in the development of a field deployable multigas analyser.Hivenkaasuilla tarkoitetaan aineita, joita on vain hyvin vähän väliaineessa, kuten ilmassa. Pienistä pitoisuuksista huolimatta hivenkaasuilla voi olla merkittävä vaikutus kaasuseoksen kemiallisiin ominaisuuksiin. Siksi on tärkeää määrittää hivenkaasujen laatu ja pitoisuudet tarkasti. Väitöskirja keskittyy taustavapaiden laserabsorptiospektroskopiaan perustuvien hivenkaasumittausmenetelmien kehittämiseen. Taustavapaalla tarkoitan sitä, että muusta kuin mittauskohteesta tuleva signaali pyritään poistamaan, koska se häiritsee mittausta. Kyseisillä mittausmenetelmillä on erityispiirteitä, jotka sopivat hyvin erittäin pienten pitoisuuksien mittaamiseen. Näihin lukeutuu esimerkiksi havaittavan signaalin voimistuminen mittalaitteen optisen tehon suhteen sekä vähäisempi herkkyys optisen tehon vaihtelulle. Väitöskirjatyössäni hyödynsin kahta spektroskooppista mittausperiaatetta: uudenlaista interferometrista menetelmää laajakaistaisen taustavapaan absorptiospektrin mittaamiseksi sekä läppävahvisteista valoakustista spektroskopiaa. Suoritin mittaukset keski-infrapuna-alueella käyttäen useita erilaisia laservalon lähteitä, kuten optisia parametrivärähtelijöitä, optisia taajuuskampoja sekä kvanttikaskadilasereita. Tutkimustuloksiini lukeutuu kehittämäni uuden interferometrisen taustavapaan mittausmenetelmän havainnollistaminen tämän hetkistä huipputasoa edustavan keski-infrapunakaksoiskampaspektrometrin avulla. Mittauksilla osoitin, että uusi menetelmä parantaa absorptiomittauksen signaali-kohinasuhdetta noin kertoimella viisi verrattuna tavalliseen suoraan absorptiospektroskopiaan. Saavutettua etua rajoitti käytettyjen laserien pieni optinen teho, ja signaali-kohinasuhdetta onkin mahdollista parantaa tulevaisuudessa suurteholasereiden avulla. Tutkimuksissani läppävahvisteisen valoakustisen spektroskopian alalla saavutin ennätyksellisiä havaintoherkkyyksiä hyödyntämällä suuria lasertehoja. Ensimmäisessä tutkimuksessa mittauskohinaa vastaava pitoisuus erittäin haitalliselle fluorivedylle oli 2.5 ppt (2.5 biljoonasosaa) 15 s mittausajalla, kun käytin suuritehoista optista parametrivärähtelijää valonlähteenä. Vastaavasti toisessa tutkimuksessa lasertehoa vahvistavan optisen resonaattorin avulla saavutin 1.75×10^(-12) Wcm^(-1) Hz^(-1/2) suuruisen ennätyksellisen alhaisen normalisoitua mittauskohinaa vastaavan absorption. Erityisen herkkien mittauksien lisäksi kehitin uudenlaisen kaasukromatografian ja läppävahvisteisen valoakustisen spektroskopian yhdistävän menetelmän. Uuden menetelmän avulla on mahdollista analysoida aiempaa luotettavammin monimutkaisia kaasuseoksia, jotka sisältävät sekä pienen että suuren molekyylimassan yhdisteitä. Menetelmä osoittautui jo alustavissa tutkimustuloksissa selvästi herkemmäksi kuin verrattavissa oleva pitkään käytössä ollut kaasukromatografian ja Fourier-muunnos infrapunaspektrometrian yhdistelmä. Tulokset havainnollistavat laserabsorptiospektroskopian soveltuvuuden kehittyneeksi kaasukromatografian ilmaisimeksi etenkin kenttäsovelluksissa, joissa laserien pienestä koosta ja huoltovapaudesta on etua.
Subject: laserabsorptiospektroskopia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
tomberg_teemu_dissertation_2020.pdf 1.988Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record