Advanced

Development of optimized Raman Spectroscopy setup for species detection in flames

Johansson, Henrik LU (2016) FYSK02 20161
Department of Physics
Combustion Physics
Abstract
A multi-pass Raman spectroscopy setup, consisting of a measuring cell built as a cavity, using two concave circular mirrors, has been constructed and optimized. As the light reflects between the mirrors, the Stokes Raman signal is enhanced with every pass through the cavity. The setup is tested by measurements of species in ambient laboratory air, N2 gas flowing through a transparent plastic tube, and a premixed propane/air flame. The signals are recorded using a grating spectrometer connected to a CCD camera. The spectra recorded with the multi-pass setup are then compared to spectra recorded using a single-pass setup to show the improvement in signal-to-noise ratio (SNR). The results show a significant improvement (by a factor of 5) for... (More)
A multi-pass Raman spectroscopy setup, consisting of a measuring cell built as a cavity, using two concave circular mirrors, has been constructed and optimized. As the light reflects between the mirrors, the Stokes Raman signal is enhanced with every pass through the cavity. The setup is tested by measurements of species in ambient laboratory air, N2 gas flowing through a transparent plastic tube, and a premixed propane/air flame. The signals are recorded using a grating spectrometer connected to a CCD camera. The spectra recorded with the multi-pass setup are then compared to spectra recorded using a single-pass setup to show the improvement in signal-to-noise ratio (SNR). The results show a significant improvement (by a factor of 5) for the multi-pass setup compared to measurements made using a single-pass setup. There are, however, several ways of improving the system further, to make it reach its full potential. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Ramanspektroskopi är en välkänd teknik som används för att mäta koncentrationer av kemiska ämnen i förbränningsprocesser. Uppställningen för mätmetoden är i sig relativt enkel, då allt som egentligen behövs är en laser som skickar laserpulser igenom flamman. Ljus kan ses som en samling partiklar, kallade fotoner. När ljuset träffar molekylerna i flamman kommer molekylernas absorption av fotonerna att leda till att molekylernas energi ökar, vilket leder till att de börjar vibrera. När en del av fotonernas energi tas upp kommer molekylerna att sprida ljus, kallat Raman Stokes-signalen, med lite lägre energi än det ljus som från början krockade med dem. Denna signal kan sedan fångas upp och registreras av en detektor, i många fall en känslig... (More)
Ramanspektroskopi är en välkänd teknik som används för att mäta koncentrationer av kemiska ämnen i förbränningsprocesser. Uppställningen för mätmetoden är i sig relativt enkel, då allt som egentligen behövs är en laser som skickar laserpulser igenom flamman. Ljus kan ses som en samling partiklar, kallade fotoner. När ljuset träffar molekylerna i flamman kommer molekylernas absorption av fotonerna att leda till att molekylernas energi ökar, vilket leder till att de börjar vibrera. När en del av fotonernas energi tas upp kommer molekylerna att sprida ljus, kallat Raman Stokes-signalen, med lite lägre energi än det ljus som från början krockade med dem. Denna signal kan sedan fångas upp och registreras av en detektor, i många fall en känslig kamera.

Tekniken är mycket användbar eftersom i stort sett vilken laser som helst med tillräckligt hög effekt kan användas och mätningarna kan utföras utan man på något sätt påverkar flamman, till skillnad mot om man skulle placera ett mätinstrument med en fysisk prob inuti flamman. Problemet är dock att den signal som molekylerna skickar ut är så svag att den, på de bilder som kameran tar, är svår att urskilja från ljus som kommer från andra källor - så kallat ströljus - och kamerans egna bakgrundsströmmar som de känsliga chippen i kameran registrerar. Att förstärka Raman Stokes-signalen genom att öka pulsenergin på det laserljus som man skickar in i flamman fungerar bara till en viss gräns innan den höga energin leder till sönderdelning av molekylerna i flamman och på så sätt förstör mätningen.

Ett sätt att förbättra tekniken är att hålla nere energin och istället öka antalet pulser per sekund man skickar in i flamman. En tillräckligt bra laser kan skicka in flera 1 000 pulser per sekund! Man kan sedan förbättra detta ytterligare genom att låta samma puls passera igenom flamman flera gånger, genom att bygga ett så kallat multi-passagesystem. Detta görs genom att på motsatta sidor om flamman ställa upp två speglar som laserljuset kan studsa fram och tillbaka mellan. Ju fler gånger man låter pulsen färdas genom flamman, desto starkare blir signalen som molekylerna sänder ut.

I det här projektet sattes det upp en Ramanuppställning med en laser som gav 1000 pulser per sekund. Uppställningen bestod av ett spegel- och lins-system som guidade pulserna genom ett hål i den första av två cirkelformade, konkava speglar. Med hjälp av systemet fokuserades laserljuset mitt emellan de två speglarna och reflekterades sedan fram och tillbaka längs med speglarnas kanter tills det passerade ut genom hålet igen. Med det här multi-passagesystemet kunde varje puls uppnå 50-70 passager. Signalen samlades sedan in och fokuserades mot detektorn med ytterligare ett linssystem.

Det är många saker som måste tas hänsyn till när man använder sig av ett multi-passagesystem. T ex så måste laserljuset vara fokuserat inuti flamman och avståndet mellan speglarna måste kunna ställas in med en noggrannhet på en tusendels millimeter för att laserljuset ska kunna studsa mellan dem så många gånger som möjligt. Ett tillräckligt bra inställt system kan dock förstärka signalen från molekylerna med upp till 1000 gånger!

Uppställningen testades genom att göra mätningar på koncentrationer av väte och syre i rumsluft, i ett rör genom vilket det flödade väte samt i en förblandad propan/luft-flamma. Testerna visade att multi-passagesystemet förstärkte Raman Stokes-signalen 4-5 gånger i jämförelse med motsvarnade mätningar gjorda med endast en passage. Det system som tagits fram här klarar alltså än så länge inte så stora förstärkningar, men kommer förmodligen att vara där inom en snar framtid. Tanken är då att det ska användas till mätningar inuti flammor och förbränningskammare, som t ex motorer. Genom detaljerad information om hur mycket det finns av de olika molekylerna i flamman kan systemet t ex mäta hur stor mängd bränsle i förhållande till syre som sprutas in i motorn. Förhållandet kan sedan ställas in för att ge en så bränsleeffektiv motor som möjligt! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Johansson, Henrik LU
supervisor
organization
course
FYSK02 20161
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
multi-pass, Raman, spectroscopy, species concentration, flames, combustion, Stokes, high-power laser
language
English
id
8877463
date added to LUP
2016-06-07 12:57:30
date last changed
2016-06-07 12:57:30
@misc{8877463,
  abstract     = {A multi-pass Raman spectroscopy setup, consisting of a measuring cell built as a cavity, using two concave circular mirrors, has been constructed and optimized. As the light reflects between the mirrors, the Stokes Raman signal is enhanced with every pass through the cavity. The setup is tested by measurements of species in ambient laboratory air, N2 gas flowing through a transparent plastic tube, and a premixed propane/air flame. The signals are recorded using a grating spectrometer connected to a CCD camera. The spectra recorded with the multi-pass setup are then compared to spectra recorded using a single-pass setup to show the improvement in signal-to-noise ratio (SNR). The results show a significant improvement (by a factor of 5) for the multi-pass setup compared to measurements made using a single-pass setup. There are, however, several ways of improving the system further, to make it reach its full potential.},
  author       = {Johansson, Henrik},
  keyword      = {multi-pass,Raman,spectroscopy,species concentration,flames,combustion,Stokes,high-power laser},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Development of optimized Raman Spectroscopy setup for species detection in flames},
  year         = {2016},
}