Fourier Transform Photoacoustic Spectroscopy with Broadband Lasers

Abstract

Kaasujen havainnointi on merkittävässä roolissa kestävän, terveellisen ja turvallisen yhteiskunnan luomisessa. Lukuisten eri sovelluskohteiden vaatimukset kaasujen havainnointiin vaihtelevat valtavasti, ja siksi useita erityyppisiä sensoreita tarvitaan. Tämä väitöskirja edistää tätä tavoitetta esittelemällä uuden optisen kaasujen havainnointitekniikan, valoakustisen Fourier-muunnosspektroskopian laajakaistaisella keski-infrapunalaserilla ja herkällä läppämikrofonilla. Tekniikan merkittävimmät hyödyt ovat laajan, ainoastaan valonlähteen rajoittaman spektrisen kaistan nopea mittaus sekä herkkyyden tehokas parantaminen valonlähteen tehoa kasvattamalla. Tässä väitöskirjassa käytettyjen valonlähteiden, superjatkumon ja optisen taajuuskamman hyöty suuren optisen tehotiheyden lisäksi on korkea paikkakoherenssi, joka mahdollistaa erinomaisen spektrisen resoluution sekä tehokkaan kytkennän moniläpäisykammioon.

Tekniikan suorituskyky on erinomainen vaadittavan näytetilavuuden ollessa alle kymmenen millilitraa. Metaanin havaintoraja viiden sekunnin mittausajalla on 90 miljardisosaa, jota voidaan parantaa merkittävästi keskiarvoistamalla. Korkein demonstroitu spektrinen resoluutio on 0.013 cm<SUP>−1</SUP>, joka ei heikennä systeemin herkkyyttä ja jota rajoittaa paineleveneminen. Kaksi kertaluokkaa huonompi spektrinen resoluutio kuitenkin mahdollistaa jo hyvän selektiivisyyden monen kaasun samanaikaiseen havainnointiin. Hyvän suorituskyvyn ja pienen näytetilavuuden ainutlaatuisen yhdistelmän ansiosta tekniikka on potentiaalinen esimerkiksi haihtuvien yhdisteiden ja saatavuudeltaan rajoitettujen näytteiden analysoimiseen. Eräs potentiaalinen ja tässä väitöskirjassa demonstroitu sovelluskohde on kemiallisten taisteluaineiden havaitseminen rikostutkinnassa ja jatkuvatoimisissa varoitusjärjestelmissä. Lähitulevaisuudessa sekä tekniikan suorityskyvyn että sovellettavuuden odotetaan kehittyvän merkittävästi, mikä vahvistaa tekniikan asemaa vaihtoehtona teollisiin, lääketieteellisiin ja turvallisuussovelluksiin.

Gas sensing plays a key role in the progress towards a healthier, safer and more sustainable society. The amount of gas sensing applications are immense with varying requirements, and thus numerous sensors with different characteristics are needed. This thesis contributes to the task by introducing a new optical gas sensing technique, Fourier transform photoacoustic spectroscopy (FT-PAS) implemented with a spectrally broadband mid-infrared laser and a sensitive cantilever microphone. The main benefits of FT-PAS are the fast acquisition of a wide spectral range that is only limited by the light source, and the effective enhancement of sensitivity with a high-power light source. Two light sources are demonstrated in this thesis, namely an incoherent fiber-based supercontinuum and a frequency down-converted mode-locked optical frequency comb. Besides high power spectral density, the advantage of broadband lasers stems from their high spatial coherence enabling high spectral resolution and efficient coupling to multipass cells.

The performance of cantilever-enhanced FT-PAS is excellent while requiring a sample volume of less than ten milliliters. The detection limit for methane is 90 parts per billion in five seconds, which can be significantly lowered through longer averaging. The highest demonstrated spectral resolution is 0.013 cm<SUP>−1</SUP> with no compromise in the detection sensitivity and limited by pressure broadening. However, two orders of magnitude worse spectral resolution already provides sufficient selectivity for complex multi-species detection. The unique combination of high performance and low gas consumption makes the technique attractive for the analysis of volatile substances and samples with limited availability. The detection of chemical warfare agents for forensic crime scene investigation and online warning systems is one potential application of the technique demonstrated in this thesis. In the near future, both the performance and the applicability of FT-PAS are expected to remarkably improve, establishing the technique as a notable alternative in many industrial, medical and security applications.