Advanced

Laser spectroscopic analysis of atmospheric gases in scattering media

Sjöholm, Mikael LU (2006) In Lund Reports on Atomic Physics LRAP-367.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Doften av blommor och mat förnimmer vi med näsan, vilken är en finurlig gassensor som även känner av mindre trevliga lukter från exempelvis rök och avgaser. Våra ögon ser färger och former hos föremål genom att detektera ljus som har reflekterats, brutits, spridits eller delvis absorberats i vår omgivning.



Denna avhandling beskriver i någon mening en sorts konstgjorda ögon som fungerar som känsliga näsor, det vill säga optiska tekniker som utnyttjar ljus för att förnimma gaser. Den underliggande principen består i att gaser absorberar ljus, vilket betyder att mängden ljus som har passerat genom en gas är lägre än mängden som sänts in. Selektiv gasförnimmelse uppnås genom att... (More)
Popular Abstract in Swedish

Doften av blommor och mat förnimmer vi med näsan, vilken är en finurlig gassensor som även känner av mindre trevliga lukter från exempelvis rök och avgaser. Våra ögon ser färger och former hos föremål genom att detektera ljus som har reflekterats, brutits, spridits eller delvis absorberats i vår omgivning.



Denna avhandling beskriver i någon mening en sorts konstgjorda ögon som fungerar som känsliga näsor, det vill säga optiska tekniker som utnyttjar ljus för att förnimma gaser. Den underliggande principen består i att gaser absorberar ljus, vilket betyder att mängden ljus som har passerat genom en gas är lägre än mängden som sänts in. Selektiv gasförnimmelse uppnås genom att varje gas har sitt eget karaktäristiska fingeravtryck i termer av vilka färger, det vill säga våglängder, av ljuset som den absorberar. Uppsättningen våglängder som absorberas kallas för spektrum och följaktligen kallas vetenskapen att studera sådana spektra för spektroskopi.



En speciell sorts ljus som endast består av en färg åt gången, det vill säga ljus i ett smalt intervall centrerat kring en våglängd, har använts i alla de tekniker som presenteras i denna avhandling. Ljuskällan som avger sådant ljus känner vi under namnet laser, vilket är en förkortning av det engelska uttrycket för ljusförstärkning genom stimulerad utsändning av strålning. Följaktligen kallas denna sorts teknik för laserspektroskopi.



De laserspektroskopiska tekniker för analys av gas under olika inflytande av ljusspridning som här utforskats i det breda spektralområdet från ultraviolett till infrarött delar alla principen för differentiell absorption. Det betyder att man jämför ljus vid en våglängd som påverkas av den eftersökta gasen med ljus vid en närliggande våglängd som inte påverkas av gasen ifråga. Fördelen med denna metod är att man eliminerar inverkan från svagt våglängdsberoende absorption och spridning hos värdmaterialet i vilket den intressanta gasen finns.



Trots att de använda teknikerna är generella till sin natur har de här tillämpats på några specifika gaser såsom syre, vattenånga, svaveldioxid, kvicksilver, metan och andra kolväten, som alla finns i atmosfären. Syre och vattenånga har exempelvis betydelse för livets processer och vid bevarande av mat. Svaveldioxid och kvicksilver är miljömässigt problematiska gaser och kolväten och vattenånga är industriellt viktiga gaser. Således spänner studierna i de 13 inkluderade artiklarna, som utgör grunden för avhandlingen, över ett brett område av gaser, som är av miljömässig, biologisk och industriell betydelse.



En tillämpning som introduceras är övervakning av kvicksilveratomer i luften med ett laserradarsystem baserat på en ljuskälla i det ultravioletta spektralområdet i form av en så kallad optisk parametrisk oscillator. Laserradarsystemet sänder ut korta pulser av ljus som ute i luften studsar mot molekyler och partiklar. En bråkdel av ljuset studsar tillbaka från olika avstånd och genom att tidsupplöst mäta mängden ljus som reflekterats kan man få information om hur långt bort ljuset varit. Hur mycket absorberande gas det finns på olika avstånd längs med den riktning som ljuspulsen färdats i kan man klura ut på ett finurligt sätt genom att mäta differentiellt. Genom att sedan lysa i olika riktningar kan man skapa hela kartor över hur hög gaskoncentrationen är på olika ställen i luften kring exempelvis en fabrik. Om man dessutom mäter hur snabbt det blåser vinkelrätt mot det plan där man har mätt upp koncentrationen, kan man räkna ut hur stort flöde av gas som släpps ut från fabriken.



Resultat presenteras från sex tvåveckorlånga fältkampanjer vid kloralkalifabriker i Sverige, Italien och Polen utförda inom ramen för ett tvärdisciplinärt EU-finansierat projekt (EMECAP) om kvicksilverutsläpp från kloralkalifabriker. De erhållna tidsserierna av kvicksilverflöde och filmer med rumsliga koncentrationsfördelningar är viktiga inparametrar för miljösamfundet. Dessutom presenteras en differentiell laserradarteknik som utnyttjar flera våglängder för samtidig fjärrmätning av substanser med överlappande spektra såsom exempelvis kolväten i det infraröda spektralområdet.



Ett mindre, diodlaserbaserat system för detektion av svaveldioxid i det ultravioletta området presenteras. Det ultravioletta ljuset fås genom att blanda blåviolett ljus med närinfrarött ljus (som är rödare än rött) i en speciell så kallad icke-linjär kristall. Dessutom presenteras en metod som bygger på att man samtidigt mäter på en känd mängd av en viss gas för att avslöja hur mycket av samma gas det finns på ett annat ställe. Det är helt enkelt gasen själv som känner sitt eget spektrum bäst och tekniken kan benämnas gaskorrelation i tiden.



Avslutningsvis introduceras ett nytt koncept (GASMAS) med ickeförstörande, absorptionsspektroskopiska mätningar av gas i spridande porösa material med laserljus vars våglängd kan svepas över en smal gasabsorptionsprofil. Genom utnyttjande av en speciell teknik som kallas våglängdsmodulationsspektroskopi åstadkoms särskilt känslig absorptionsdetektion. Det görs genom att man märker ljuset på ett speciellt sätt så att man kan känna igen det även om det är insvept i störande brus. Det är ungefär som att man lättare kan uppfatta vad en viss person i ett sorlande folkhav säger om personen är ensam om att tala på en säregen dialekt eller ett speciellt språk, givet att man förstår dialekten eller språket. Att ett material är spridande betyder att ljuspartiklarna inte går raka vägen igenom materialet utan att de istället studsar runt och går en mycket längre väg än den kortaste raka vägen. Detta kan liknas med den väg en berusad tar när den raglar hem från krogen. För att uppskatta gaskoncentrationen i ett spridande, poröst material behövs tidsupplösta mätningar där man tar reda på hur lång sträcka ljuspartiklarna studsat runt innan de detekteras. Tillämpningar relaterade till förpackningsindustrin, till exempel förpackningar med modifierad atmosfär, utforskas genom studier av gasutbyte i trädgårdsprodukter såsom exempelvis äpplen efter skörd. Dessutom utforskas tillämpningar relaterade till byggbranschen genom studier av exempelvis gastransport och torkprocesser i trä genom detektion av syrgas och vattenånga i det nära infraröda spektrala området. (Less)
Abstract
Laser spectroscopic techniques for gas analysis under various influences of light scattering are explored in a wide spectral range from the ultraviolet to the infrared. The techniques rely on spectrally narrow-band light sources that are used in differential optical absorption measurements.



A DIfferential Absorption Light detection and ranging (DIAL)application for the monitoring of atomic gaseous mercury, utilizing ultraviolet light from an Optical Parametric Oscillator (OPO), is introduced. Results from six two-week field campaigns at chlor alkali plants in Sweden, Italy, and Poland, performed within a cross disciplinary European Union funded project concerning European Mercury Emissions from Chlor-Alkali Plants... (More)
Laser spectroscopic techniques for gas analysis under various influences of light scattering are explored in a wide spectral range from the ultraviolet to the infrared. The techniques rely on spectrally narrow-band light sources that are used in differential optical absorption measurements.



A DIfferential Absorption Light detection and ranging (DIAL)application for the monitoring of atomic gaseous mercury, utilizing ultraviolet light from an Optical Parametric Oscillator (OPO), is introduced. Results from six two-week field campaigns at chlor alkali plants in Sweden, Italy, and Poland, performed within a cross disciplinary European Union funded project concerning European Mercury Emissions from Chlor-Alkali Plants (EMECAP) are presented. The resulting time series of the mercury flux and the animations showing the spatial concentration distributions constitute important input for the environmental community. In addition, by employing a multiple-wavelength DIAL technique in the infrared spectral region, simultaneous remote measurement of mixtures of gaseous substances with overlapping spectra is achieved.



A diode-laser-based spectrometer comprising nonlinear frequency mixing for the detection of sulfur dioxide in the ultraviolet region is presented, as well as a temporal gas correlation procedure that does not require any knowledge of the exact spectrum of either the gas or the light.



Finally, a novel concept of non intrusive, real-time tunable-laserbased GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS) measurements is introduced. Sensitive detection of absorption is obtained by utilizing wavelength modulation spectroscopy. Combined with time resolved measurements employing Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC), the gas concentration in various porous materials is estimated. Applications related to the food packaging industry, e.g., Modified Atmosphere Packaging (MAP), are explored by studies of gas exchange in horticultural produce. Furthermore, applications related to the building industry are explored in studies on gas transport and drying processes in wood by the detection of molecular oxygen and water vapor in the near infrared spectral region. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr De Natale, Paolo, National Institute of Applied Optics (CNR-INOA), Firenze, Italy
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Fjärranalys, Remote sensing, Laser spectroscop, Scattering of light, Diode lasers, acoustics, optics, Electromagnetism, optik, akustik, Elektromagnetism, Optical absorption, Nondestructive testing: optical, Interdisciplinary applications of physics, Laser technology, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics, LIDAR remote sensing, Laserteknik
in
Lund Reports on Atomic Physics
volume
LRAP-367
pages
235 pages
publisher
Atomic Physics, Department of Physics, Lund University
defense location
Room B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund Intstitute of Technology
defense date
2006-11-03 10:15
ISSN
0281-2762
ISBN
978-91-628-6962-5
language
English
LU publication?
yes
id
23378b4c-5335-47bf-a635-591b5a730b0a (old id 547393)
date added to LUP
2007-10-01 14:54:42
date last changed
2018-11-21 20:36:11
@phdthesis{23378b4c-5335-47bf-a635-591b5a730b0a,
  abstract     = {Laser spectroscopic techniques for gas analysis under various influences of light scattering are explored in a wide spectral range from the ultraviolet to the infrared. The techniques rely on spectrally narrow-band light sources that are used in differential optical absorption measurements.<br/><br>
<br/><br>
A DIfferential Absorption Light detection and ranging (DIAL)application for the monitoring of atomic gaseous mercury, utilizing ultraviolet light from an Optical Parametric Oscillator (OPO), is introduced. Results from six two-week field campaigns at chlor alkali plants in Sweden, Italy, and Poland, performed within a cross disciplinary European Union funded project concerning European Mercury Emissions from Chlor-Alkali Plants (EMECAP) are presented. The resulting time series of the mercury flux and the animations showing the spatial concentration distributions constitute important input for the environmental community. In addition, by employing a multiple-wavelength DIAL technique in the infrared spectral region, simultaneous remote measurement of mixtures of gaseous substances with overlapping spectra is achieved.<br/><br>
<br/><br>
A diode-laser-based spectrometer comprising nonlinear frequency mixing for the detection of sulfur dioxide in the ultraviolet region is presented, as well as a temporal gas correlation procedure that does not require any knowledge of the exact spectrum of either the gas or the light.<br/><br>
<br/><br>
Finally, a novel concept of non intrusive, real-time tunable-laserbased GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS) measurements is introduced. Sensitive detection of absorption is obtained by utilizing wavelength modulation spectroscopy. Combined with time resolved measurements employing Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC), the gas concentration in various porous materials is estimated. Applications related to the food packaging industry, e.g., Modified Atmosphere Packaging (MAP), are explored by studies of gas exchange in horticultural produce. Furthermore, applications related to the building industry are explored in studies on gas transport and drying processes in wood by the detection of molecular oxygen and water vapor in the near infrared spectral region.},
  author       = {Sjöholm, Mikael},
  isbn         = {978-91-628-6962-5},
  issn         = {0281-2762},
  keyword      = {Fjärranalys,Remote sensing,Laser spectroscop,Scattering of light,Diode lasers,acoustics,optics,Electromagnetism,optik,akustik,Elektromagnetism,Optical absorption,Nondestructive testing: optical,Interdisciplinary applications of physics,Laser technology,Atom- och molekylärfysik,Atomic and molecular physics,LIDAR remote sensing,Laserteknik},
  language     = {eng},
  pages        = {235},
  publisher    = {Atomic Physics, Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund Reports on Atomic Physics},
  title        = {Laser spectroscopic analysis of atmospheric gases in scattering media},
  volume       = {LRAP-367},
  year         = {2006},
}