Broadband Photoacoustic Optical Power Detection and Its Application to Gas Spectroscopy

Abstract

Sähkömagneettisen säteilyn tehoilmaisin (yleisemmin tehomittari) on yksi keskeisimmistä komponenteista lähes kaikissa tekniikan ja tieteen sovelluksissa, jotka perustuvat valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn spektrin osan käyttöön. Teho- ja energiamittareita tarvitaan muun muassa koko ajan yhä enemmän automatisoituvassa teollisuudessa, terveydenhuollossa, tutkimuksessa sekä puolustus- ja turvallisuusalan sovelluksissa. Sähkömagneettisen säteilyn spektri on laaja, minkä vuoksi eri käyttökohteissa joudutaan käyttämään erilaisia mittareita. Puolijohteisiin perustuvat ilmaisimet ovat kaikkein yleisimpiä, mutta niiden käyttö yli 12 µm:n infrapuna-aallonpituuksilla vaatii kryogeeniset olosuhteet. Tätä pidemmillä aallonpituuksilla käytetään yleisesti termisiä ilmaisimia, mutta niillä saavutetaan harvoin vastaavia herkkyyksiä kuin puolijohdeilmaisimilla.

Tässä väitöskirjassa esitellään valoakustiseen ilmiöön perustuva laajakaistainen mittausmenetelmä, jolla voidaan mitata sekä näkyvää valoa että infrapunasäteilyä jopa millimetriaallonpituuksiin saakka. Tällaisella yleisilmaisimella voidaan korvata useita kalliita erillisiä ilmaisimia, mikä säästää paitsi rahaa, mahdollistaa myös uusien laajakaistaiseen valoon perustuvien mittausmenetelmien kehittämisen. Mitattava sähkömagneettinen säteily moduloidaan optisella säteenkatkojalla ja ohjataan valoakustiseen kammioon, jossa säteily imeytyy sitä varten erityisesti kehitettyyn “mustaan” absorbaattoriin. Energia vapautuu kammiossa olevaan kaasuun aiheuttaen sen lämpölaajenemisen. Jaksollinen lämpölaajenema aiheuttaa suljetussa kammiossa jaksollisen paineen vaihtelun, joka havaitaan herkällä kammioon asetetulla läppämikrofonilla. Kehitetyllä mittausmenetelmällä saavutettiin 5.6 nWHz<SUP>-1/2</SUP> havaintoraja ja lähes 80 dB:n dynaaminen alue.

Väitöskirjassa esitellään myös kvanttikaskadilaseriin, valoakustiseen tehoilmaisimeen ja ulkoiseen moniheijastuskyvettiin perustuva spektrometri. Toisin kuin perinteisissä valoakustisissa kaasumittareissa, joissa mitattava kaasu on valoakustisen kammion sisällä, ulkoisen kammion paineen alenema ei heikennä valoakustista signaalia, vaan parantaa mitattavan kaasun tunnistettavuutta. Ulkoiseen kammioon perustuva menetelmä mahdollistaa myös virtaavan kaasun mittaamisen.

An electromagnetic radiation power detector (more commonly called a power meter) is one of the key components in almost all technical and scientific applications based on the use of light or another part of the electromagnetic spectrum. Power and energy meters are needed, for example, in increasingly automated industry, healthcare, research, and defense and security applications. The electromagnetic spectrum is wide, which is why different detectors are needed for different applications. Semiconductor-based photon detectors are the most common, but their use at infrared wavelengths above 12 µm requires cryogenic conditions. At wavelengths longer than this, thermal detectors are commonly used, but they rarely achieve sensitivities comparable to semiconductor detectors.

This dissertation presents a broadband optical power measurement method based on the photoacoustic effect, which can measure both visible light and infrared radiation up to millimeter wavelengths. Such a universal detector can replace several separate detectors, which not only saves money but also enables the development of new measurement methods based on broadband light. The electromagnetic radiation is modulated with an optical chopper and directed to the photoacoustic chamber, where the radiation is absorbed by a "black" absorber. Energy is released into the gas in the chamber, causing it to thermally expand. Periodic thermal expansion causes periodic pressure variation, which is detected with a sensitive cantilever microphone placed in the chamber. A detection limit of 5.6 nWHz<SUP>−1/2</SUP> and a dynamic range of nearly 80 dB were achieved.

The dissertation also presents a gas spectrometer based on a quantum cascade laser, a photoacoustic power detector and an external multipass cell. Like photoacoustic spectroscopy, the new approach works at nearly any wavelength. However, unlike in photoacoustic spectroscopy, where the gas to be measured is inside the photoacoustic chamber, the decrease in gas pressure in the external gas cell does not decrease the photoacoustic signal but instead improves the identification of the gas to be measured. The method based on an external gas cell also enables the measurement of fluing gas.