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

Show simple item record

dc.contributor Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta fi
dc.contributor Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten sv
dc.contributor University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry en
dc.contributor Kemian ja molekyylitutkimuksen tohtoriohjelma fi
dc.contributor Doktorandprogrammet i kemi och molekylära vetenskaper sv
dc.contributor Doctoral Programme in Chemistry and Molecular Research en
dc.contributor.author Tomberg, Teemu
dc.date.accessioned 2020-09-25T04:40:19Z
dc.date.available 2020-10-06
dc.date.available 2020-09-25T04:40:19Z
dc.date.issued 2020-10-16
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10138/319590
dc.identifier.uri URN:ISBN:978-951-51-6563-3
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en
dc.publisher Helsingin yliopisto fi
dc.publisher Helsingfors universitet sv
dc.publisher University of Helsinki en
dc.relation.isformatof URN:ISBN:ISBN 978-951-51-6562-6
dc.rights Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. fi
dc.rights This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. en
dc.rights Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. sv
dc.subject laserabsorptiospektroskopia
dc.title Application of interferometry and cantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy to background-free trace gas detection en
dc.title.alternative Interferometrian ja valoakustisen spektroskopian soveltaminen taustavapaaseen hivenkaasuanalyysiin fi
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Doktorsavhandling (sammanläggning) sv
dc.ths Halonen, Lauri
dc.ths Vainio, Markku
dc.opn Kaivola, Matti
dc.type.dcmitype Text

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 simple item record