레이저 흡수 분광법
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레이저 흡수 분광법(LAS)은 레이저를 이용해 가스상 종의 농도나 양을 흡수 분광법(AS)에 의해 평가하는 기법을 말한다.
일반적으로 광학 분광 기법, 특히 레이저 기반 기법은 가스 단계에서 성분을 검출하고 감시할 수 있는 가능성이 크다.이들은 예를 들어 높은 감도와 높은 선택성과 비침입 및 원격 감지 기능을 결합한 여러 가지 중요한 특성들을 결합한다.레이저 흡수 분광 분석은 기체 단계에서 원자와 분자의 정량적 평가에 가장 많이 사용되는 기법이 되었다.또한 광 주파수 계측학 분야 또는 광물질 상호작용 연구와 같은 다양한 다른 용도에 널리 사용되는 기법이다.가장 일반적인 기법은 튜닝 가능한 다이오드 레이저 흡수 분광기(TDLAS)로 상용화돼 다양한 용도에 사용된다.
직접 레이저 흡수 분광법
LAS의 가장 매력적인 장점은 종에 대한 절대적인 정량적 평가를 제공하는 능력이다.[1]그것의 가장 큰 단점은 높은 수준에서 작은 전력 변화 측정에 의존한다는 것이다; 광학 시스템을 통해 광원이나 전송에 의해 유입되는 어떤 소음도 기법의 민감성을 악화시킬 것이다.따라서 직접 레이저 흡수 분광계(DLAS) 기법은 이론적 샷 소음 수준과는 거리가 먼 흡광도 ~ 10−3 검출에 국한되는 경우가 많으며, 단일 패스 DAS 기법은 10~10−7−8 범위에 있다.이 탐지 한계는 많은 유형의 애플리케이션에 불충분하다.
검출 한계는 (1) 노이즈를 감소시키고, (2) 전환 강도가 더 큰 전환을 사용하거나 (3) 유효 경로 길이를 증가시킴으로써 개선할 수 있다.첫째는 변조 기법의 사용으로 얻을 수 있고, 둘째는 파격적인 파장 영역에서 전환을 사용하여 얻을 수 있으며, 셋째는 외부 공동체를 사용하여 얻을 수 있다.
변조된 기법
변조 기법은 일반적으로 기술 노이즈가 주파수 증가에 따라 감소하고(흔히 1/f 노이즈라고 함) 노이즈 레벨이 낮은 고주파수에서 흡수 신호를 인코딩하고 검출함으로써 신호 대비를 개선한다는 사실을 활용한다.가장 일반적인 변조 기술인 파장 변조 분광학(WMS)[2]과 주파수 변조 분광학(FMS)은 흡수 전환에 걸쳐 빛의 주파수를 빠르게 스캔함으로써 이를 달성한다.[3]두 기법 모두 흡수기가 없을 때 강등 신호가 낮다는 장점이 있지만 레이저 또는 광학 시스템의 다중 반사(에탈론 효과)에서 발생하는 잔류 진폭 변조에 의해 제한되기도 한다.환경 조사와 공정 제어 응용에 가장 많이 사용되는 레이저 기반 기술은 다이오드 레이저와 WMS(일반적으로 TDLAS라고 한다)를 기반으로 한다.[4][5]WMS 기법과 FMS 기법의 대표적인 민감도는 10가지−5 범위에 있다.
가음성이 좋고 수명이 길기 때문에(> 1만 시간) 대부분의 실제 레이저 기반 흡수 분광법은 오늘날 760nm~16μm 범위에서 발광하는 분산 피드백 다이오드 레이저에 의해 수행된다.이를 통해 최소한의 유지보수로 수천 시간 동안 무인 가동할 수 있는 시스템이 생겨난다.
기본적인 진동 또는 전자적 전환을 이용한 레이저 흡수 분광법
LAS의 검출 한계를 개선하는 두 번째 방법은 기본 진동 대역이나 전자 전환에서 라인 강도가 더 큰 전환을 채용하는 것이다.통상 5μm에 머무르는 전자는 일반적인 오버톤 전환보다 2~3배 정도 높은 라인 강도를 가진다.반면에 전자적 전환은 종종 더 큰 라인 강도의 또 다른 1-2 순서를 가진다.UV 범위(약 227nm)에 위치한 NO의[clarification needed] 전자 전환에 대한 전환 강도는 MIR 지역보다 최대 2배 더 크다.[citation needed]
최근 MIR 지역에서 작동하는 양자 캐스케이드(QC) 레이저의 개발로 분자종의 근본적인 진동대(vibration band)에서 민감하게 검출할 수 있는 새로운 가능성이 열렸다.전자 전환은 종종 UV 지역에 있기 때문에 안정적인 cw 조명을 생성하는 것이 더 어렵다.
충치증진흡수분광법
LAS의 감도를 향상시키는 세 번째 방법은 경로 길이를 늘리는 것이다.이것은 빛을 앞뒤로 여러 번 튕기는 구멍 안에 종을 넣어 상호 작용 길이를 상당히 증가시킴으로써 얻을 수 있다.이로 인해 공동이 강화된 AS(CEAS)로 표시된 일련의 기술들이 생겨났다.이 캐비티는 레이저 내부에 배치될 수 있어 외부 캐비티라고 할 때 외부 또는 내부 AS가 발생할 수 있다.비록 전자의 기술은 높은 민감도를 제공할 수 있지만, 그것의 실제 적용 가능성은 비선형 공정에 의해 제한된다.
외부 캐비티는 다중 통과 유형일 수 있다.에리어트 또는 화이트 셀 또는 공명형 셀은 대부분 Fabry-Pérot (FP) 에탈론(etalon)으로 활동한다.멀티패스 셀은 일반적으로 최대 2회까지 향상된 상호 작용 길이를 제공할 수 있는 반면, 공명 캐비티는 훨씬 더 큰 경로 길이 향상을 제공할 수 있으며, F는 반사율이 ~99.99%인 높은 반사 거울을 가진 균형 잡힌 공동의 경우 ~104~105%가 될 수 있다.
공명 공동의 문제는 높은 미세한 공동이 좁은 캐비티 모드를 가지고 있으며, 종종 낮은 kHz 범위에 있다는 것이다.cw 레이저에는 MHz 범위에서 자유 주행 라인 폭과 펄스가 더 큰 경우가 많기 때문에 높은 미세한 공동에 레이저 광선을 효과적으로 결합하는 것은 어렵다.하지만, 이것이 달성될 수 있는 몇 가지 방법이 있다.그러한 방법 중 하나는 버니어 분광법인데, 이 방법은 주파수 빗 레이저를 사용하여 많은 공동 모드를 동시에 흥분시키고 미량 가스를 고도로 병렬로 측정할 수 있다.
캐비티 링 다운 분광학
캐비티 링 다운 분광학(CRDS)에서 모드 매칭 조건은 캐비티에 짧은 광 펄스를 주입하여 우회한다.흡광도는 맥박이 각각 온·오프리손스에서 "누출"할 때 맥박의 충치 시간을 비교하여 평가한다.레이저 진폭 노이즈와는 무관하지만, 이 기법은 종종 두 번의 연속적인 측정과 캐비티를 통한 낮은 전송 사이의 시스템 내 드리프트에 의해 제한된다.그럼에도 불구하고−7, ~ 10 범위의 민감도는 일상적으로 얻을 수 있다(가장 복잡한 설정은 이 ~ 10−9 이하에 도달할 수 있지만).따라서 CRDS는 다양한 조건에서 민감한 미량 가스 분석을 위한 표준 기법이 되기 시작했다.또한 CRDS는 이제 온도, 압력, 변형률 등 다양한 물리적 매개변수 감지에 효과적인 방법이 되었다.[6]
통합 캐비티 출력 분광기
때때로 캐비티 강화 흡수 분광기(CEAS)라고 불리는 통합 캐비티 출력 분광기(ICOS)는 하나의 캐비티 미러 뒤에 있는 통합 강도를 기록하는 반면 레이저가 하나 또는 여러 개의 캐비티 모드를 반복해서 스윕된다.[citation needed]그러나 높은 정밀도의 경우 "on"과 "off"의 비율은 정밀도의 역에 의해 주어지며, 통합 흡수뿐만 아니라 전송에 의해서도 작아진다.Off-axis ICOS(OA-ICOS)는 이를 개선하여 레이저 광선을 주축에 대한 각도에서 캐비티로 결합하여 높은 밀도의 횡방향 모드와 상호 작용하지 않도록 한다.강도 변동은 직접적인 축 ICOS보다 낮지만, 이 기술은 여전히 높은 순서의 횡방향 모드의 부분적 흥분으로 인한 낮은 전송과 강도 변동에 의해 제한되며, 다시 일반적으로 10까지−7 감도에 도달할 수 있다.
연속파동강증강흡수분광법
개선 가능성이 가장 큰 CEAS 기법군은 레이저 광선을 캐비티로 연속적으로 결합하는 것을 기반으로 한다.그러나 이를 위해서는 레이저를 공동 모드 중 하나에 능동적으로 잠가야 한다.이를 수행할 수 있는 방법은 광학 피드백과 전자 피드백 중 두 가지가 있다.원래 로마니니 등이 cw-CRDS용으로 개발한 광학 피드백(OF) 잠금은 레이저가 프로필(OF-CEAS)을 가로질러 천천히 스캔되는 동안 캐비티에서 나오는 광학 피드백을 사용하여 레이저를 캐비티에 고정시킨다.[7]이 경우 절연 미러로부터 OF를 피하기 위해 캐비티에 V자형이 있어야 한다.OF-CEAS는 변동 피드백 효율에 의해 제한되는 10 범위까지의−8 민감도에 도달할 수 있다.[8]전자잠금은 보통 파운드-드레버홀(PDH) 기법으로 실현되며,[9] 일부 레이저의 경우 달성하기 어려울 수 있지만 오늘날에는 잘 확립된 기법이다.[10][11]그것은 또한 전자적으로 잠긴 CEAS를 오버플로원 라인에서 민감한 AS에 사용할 수 있다는 것을 보여주었다.[12][13][14]
소음-임문자 캐비티 강화 광학-헤테로디네 분자분광학
그러나 CEAS를 잠금 접근법(DCEAS)과 직접 결합하려는 모든 시도는 공통점이 하나 있는데, 즉 DAS보다 약 2F/11배−13 낮은 (멀티패스) 사격 노이즈 수준에 가까운 LOD에 도달하기 위해 관리하지 않는다는 점이다.그 이유는 두 가지다. (i) 좁은 캐비티 모드로 인해 남은 레이저 주파수 노이즈가 전송되는 빛의 진폭 노이즈로 직접 변환되어 감도를 손상시킨다. (ii) 이러한 기법 중 어떤 것도 변조 기술을 사용하지 않는다. 따라서 1/2이 계속 발생한다.f 시스템의 소음.그러나 지금까지 이 두 가지 문제를 모두 회피하기 위해 잠긴 CEAS를 FMS와 결합하여 충치를 충분히 활용하는 데 성공한 기법이 있다.소음 면역 공동 강화 광학 헤테로디네 분자 분광학(NICE-OHMS)주파수 표준 용도에 대해 수행된 이 기법의 최초 및 지금까지 궁극적인 실현은 5•10−13 (1•10−14 cm−1)의 놀라운 LOD에 도달했다.[15]정확하게 개발된 이 기법이 다른 어떤 기법보다 미량 가스 분석의 잠재력이 크다는 것은 분명하다.[16]
참조
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외부 링크
- Zeller, W.; Nahle, L.; F.; Gerschuetz, F.; Hildebrandt, L.; Koeth, J. DFB Lasers 760 nm에서 16 µm 사이의 감지 애플리케이션용.센서 2010, 10, 2492-2510민주당