Development of laser spectroscopy for scattering media applications

Abstract

Laser spectroscopy for both large and small spatial scales has been developed and used in various applications ranging from remote monitoring of atmospheric mercury in Spain to investigation of oxygen contents in wood, human sinuses, fruit, and pharmaceutical solids. Historically, the lidar group in Lund has performed many differential absorption lidar (DIAL) measurements with a mobile lidar system that was first described in 1987. During the years the lidar group has focused on fluorescence imaging and mercury measurements in the troposphere. Five lidar projects are described in this thesis: fluorescence imaging measurement outside Avignon, France, a unique lidar project at a mercury mine in Almadén, Spain, a SO2 flux measurement at a paper mill in Nymölla, Sweden, and two fluorescence imaging projects related to remote monitoring of vegetation and building facades characterization.



A new method to measure wind speed remotely in combination with DIAL measurements is presented in this thesis. The wind sensor technique is called videography and is based on that images of plumes are grabbed continuously and the speed is estimated by the use of image processing.



A technique that makes it possible to measure a gas in solids and turbid media, non-intrusively, is presented in this thesis. The technique is called gas in scattering media absorption spectroscopy (GASMAS) and has been used since 2001. The GASMAS concept means that a traditional spectroscopy instrument, based on tunable diode lasers, is used but the gas cell or optical path is replaced by a material that strongly scatters light. Mostly, wavelength modulation spectroscopy has been utilized. Four projects using the GASMAS technique to measure gases in fruit, wood, pharmaceutical solids, and human tissue are presented. Two applications have shown a great potential so far; to be able to diagnose the health of human sinuses and gas ventilation in sinuses, and to measure gas inside pharmaceutical solids. A performance analysis of the GASMAS technique is included. This thesis also presents a technique to suppress optical noise in fiber lasers and how to construct a compact tunable diode laser spectroscopy system based on plug-in boards for a standard computer.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I Nationalencyklopedin står det att spektroskopi är en metod för att studera molekyler, atomer och atomkärnor med hjälp av dess spektra. Man använder både elektromagnetisk strålning och partikelstrålning inom spektroskopin. Spektroskopi används inom astronomi, kemi, fysik och medicin. Ordet spektroskopi kommer ifrån latinet och betyder att titta vilket förklaras av att historiskt sett så använde man endast synligt ljus för att studera gaser, vätskor och fast kroppar.



Alla ting absorberar och sprider elektromagnetisk strålning olika vilket förklarar varför bladet är grönt, varför himlen är blå osv. när de belyses av solljus. Solljuset innehåller som bekant alla regnbågens färger. Samma sak gäller gaser som absorberar ljus med färgfördelning som är beroende på typ av gas, tryck, temperatur osv. Man brukar säga att en gas har ett fingeravtryck vilket nyttjas inom laserbaserad spektroskopi där lasern ställs in, likt en radiosändare, på den våglängd hos gasen som man vill mäta på.



I denna avhandling används uteslutande laserbaserad spektroskopi för att studera koncentrationen av gaser i atmosfären och i fasta material som frukt, trä, växter och mänsklig vävnad. Syftet med avhandlingen är att utveckla och använda laserbaserade metoder för att mäta gaser i atmosfären och i fasta kroppar. Avhandlingen beskriver ett antal projekt där metoder används och utvecklas successivt. Det finns också beskrivet projekt som beskriver mätningar av fluorescens hos organiska växter och byggnader.



För att mäta gaser i atmosfären används en optisk radar där sändaren består av en kraftig laser som skickar ut korta ljuspulser i atmosfären. Teknikens utveckling påbörjades på 1960-talet och kallas för lidar (light detection and ranging). En liten del av ljuset reflekteras i atmosfären av små partiklar (aerosoler) och når ett teleskop där ljuset samplas in. Denna effekt kan även ses om man går ut en mörk kväll och lyser rakt upp med en ficklampa. Man kan då se ljuskäglan eftersom små partiklar i luften reflekterar ljuset tillbaka. Genom att växelvis skicka ut ljus som absorberas och som inte absorberas av aktuell gas kan koncentrationen av gaser som t.ex. ozon, svaveldioxid och kvicksilver mätas. Det är en utrustning som, om den placeras i ett flygplan, kan användas för att mäta på ozonhålet vid Nordpolen. Exempel på projekt som beskrivs är mätningar i Spanien där koncentrationen av kvicksilver vid en kvicksilvergruva studerades och mätning av svaveldioxidutsläpp vid ett pappersbruk i Nymölla, Sverige.



I avhandlingen beskrivs även en ny metod för mätning av gaser i fasta och spridande material som växter, frukt, trä och mänsklig vävnad. Metoden kallas för GASMAS (Gas in Scattering Media Absorption Spectroscopy) och forskningen initierades 2001 på avdelning för atomfysik på Lunds Universitet. Principen bygger på att laserljus skickas in i ett fast spridande material samtidigt som laserljuset sveps över den våglängd där den aktuella gasen absorberar ljus. Förloppet kan liknas med hur en operasångare testar sin röst genom att sjunga kontinuerliga skalor. En optisk detektor samlar in ljuset efter det har skramlat runt i provet. När laserljusets våglängd sammanträffar med gasens fingeravtryck dämpas ljuset något mer vilket är precis vad vi mäter; desto mer gas desto mer dämpning. Observera att det rör sig om mycket små förändringar av ljusstyrkan när en absorptionstopp passeras. Vi talar om en liten förändring på en del av 100000. Alltså krävs det att utrustningen är känslig. Det som ytterst begränsar metoden är hur bra ljuset tränger in i det fasta materialet. Med hjälp av GASMAS-tekniken har vi bl.a. undersökt farmaceutiska tabletter och bihålor i kind- och pannben. GASMAS-tekniken gör det möjligt att studera gasinnehållet i fasta material utan ingrepp vilket är att föredra.



Under arbetets gång har mycket tid och kraft ägnats åt att förbättra GASMAS-metoden ur teknisk synvinkel. Då det mesta av ljuset sprids och dämpas är det endast en bråkdel som når den optiska detektorn, kanske en del på 1000. Samtidigt ska en liten absorptionssignal på en del på 100000 detekteras vilket ökar utmaningen ytterligare. Avhandlingen beskriver de tekniska metoder som har använts för att nå dessa mål.

• author: Andersson, Mats
• supervisor: Sune Svanberg
• opponent: Professor Schade, Wolfgang, Teknische Hochschule Clausthal, Germany
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Laserteknik, Laser technology, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics, Fysik, Physics, coherent sampling, optical sensor, light absorption, noninvasive measurement, diode laser, scattering of light, laser spectroscopy, fluorescence spectroscopy, remote sensing, Lidar, DIAL
• in: Lund Reports on Atomic Physics
• volume: LRAP-383
• pages: 252 pages
• defense location: Sal B, Fysiska Institutionen, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2007-09-14 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 978-91-628-7252-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 249c2d41-8194-4e24-aea6-a51e0204d360 (old id 548963)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:21:22
• date last changed: 2019-05-21 18:05:27