Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Construction of a hyperspectral Scheimpflug lidar for soot characterization in the aerosol phase

Dahlberg, Liam LU (2026) FYSM64 20261
Combustion Physics
Department of Physics
Abstract
Greenhouse gases and light-absorbing particles in the atmosphere, including soot, play a key role in climate change. To understand the effect such small particles have on the climate, we first need to understand how they form and how they behave. Soot particles are produced from incomplete combustion processes of hydrocarbons, forming a mixture of graphitic and amorphous structures instead of carbon dioxide. Soot properties depend on combustion conditions, such as fuel type, temperature, and pressure. Many experiments have been conducted in a laboratory environment to understand the formation and properties of soot produced under different combustion conditions. Soot compositions can be inferred from their Raman spectra and the... (More)
Greenhouse gases and light-absorbing particles in the atmosphere, including soot, play a key role in climate change. To understand the effect such small particles have on the climate, we first need to understand how they form and how they behave. Soot particles are produced from incomplete combustion processes of hydrocarbons, forming a mixture of graphitic and amorphous structures instead of carbon dioxide. Soot properties depend on combustion conditions, such as fuel type, temperature, and pressure. Many experiments have been conducted in a laboratory environment to understand the formation and properties of soot produced under different combustion conditions. Soot compositions can be inferred from their Raman spectra and the fluorescence emissions. Many spectroscopic techniques have been developed and applied widely in the lab scale, but not in naturally occurring conditions. For this reason, we aim to construct one for a atmospheric application based on the Scheimpflug principle and Raman scattering that is called Scheimpflug Raman Lidar (SRL). The Scheimpflug lidar technique has been used in many studies of insects, vegetation, and aquatic life. In the SRL, we use a high-power continuous-wave laser rather than a pulsed one. A simulation model was created prior to the theoretical model, which was optimized to resolve the Raman signal of soot. We successfully adapted the optimized construction and tested it on black soot (OP1 soot) and brown soot (OP6 soot) generated by a mini-CAST soot generator. To remove air contributions from these soot spectra, we combined SRL with polarization effects and Fast Fourier Transform (FFT) theory. By collecting data at various polarization angles, a FFT separated the unpolarized Raman signal of soot from the polarized air contributions. This split did not improve the Raman signal of soot, but it was able to identify all polarized contributions within the Raman spectrum, such as carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and water vapor. This technique can thus be used to identify what gases are part of the combustion process. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Om du äger en skorsten har du säkert behövt anlita en sotare för att rengöra den. Allt det svarta pulvret de rensar bort kallas för sot. Sot bildas av allt som brinner. Oftast ser vi det som rök från en förbränningsprocess. Sot bildas när kol inte binds med syre för att bilda koldioxid. Istället binds de till varandra och bildar små kolringar, och när dessa buntas ihop blir de sotpartiklar. Dessa partiklar är farliga för hälsan, vilket är varför du alltid ska ligga ner och krypa om det brinner inomhus, och för miljön, vilket vi ser som klimatförändringar. Det är därför viktigt att vi förstår dessa sotpartiklar så att vi kan göra så exakta klimatmodeller som möjligt och sedan lättare kan hitta lämpliga lösningar. Många studier har gjorts i... (More)
Om du äger en skorsten har du säkert behövt anlita en sotare för att rengöra den. Allt det svarta pulvret de rensar bort kallas för sot. Sot bildas av allt som brinner. Oftast ser vi det som rök från en förbränningsprocess. Sot bildas när kol inte binds med syre för att bilda koldioxid. Istället binds de till varandra och bildar små kolringar, och när dessa buntas ihop blir de sotpartiklar. Dessa partiklar är farliga för hälsan, vilket är varför du alltid ska ligga ner och krypa om det brinner inomhus, och för miljön, vilket vi ser som klimatförändringar. Det är därför viktigt att vi förstår dessa sotpartiklar så att vi kan göra så exakta klimatmodeller som möjligt och sedan lättare kan hitta lämpliga lösningar. Många studier har gjorts i laboratorier om sotpartiklar för att bygga upp ett kunskapsbibliotek om hur vi kan känna igen olika typer av sotpartiklar. Genom att bestämma hur partiklarna bildas vet vi vilken typ av sot som ska undersökas. Men nu har vårt bibliotek av kunskap byggts upp tillräckligt för att kunna göra mätningar utanför labbet. Vi kan kolla på rök från fabriks skorstenar, rök från brännare, till och med rök från vulkanutbrott. För att göra detta har vi använt en teknik som heter Scheimpflug lidar (lidar står för LIght Detection and Ranging). Lidar är ett sätt att avgöra avstånd på med hjälp av ljus, precis som sonar använder ljud för att ta reda på avstånd. Detta är en teknik som
har använts flera gånger tidigare och har visats fungera, men den har inte använts för att titta på sotpartiklar. Problemet med sotpartiklar är att få information om vilken typ av sot det är, så måste vi titta på en speciell signal som är oerhört svag, och den kallas för en Raman-signal. Raman-signal tittar på pyttesmå förändringar i en ljusfoton. Fastän förändringen är liten, så är den tillräcklig för att ge oss information om sotpartiklarnas nanostruktur. Denna studie applicerade Scheimplug lidar för att samla in Raman-signaler från sotpartiklar. Även en väldigt basic uppläggning visade sig vara en succé, vilket betyder att den kan uppgraderas för att ge ännu bättre resultat i framtiden. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Dahlberg, Liam LU
supervisor
organization
course
FYSM64 20261
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Lidar Soot Raman PGP Characterization Scheimpflug
language
English
id
9240404
date added to LUP
2026-06-28 11:01:41
date last changed
2026-06-28 11:01:41
@misc{9240404,
  abstract     = {{Greenhouse gases and light-absorbing particles in the atmosphere, including soot, play a key role in climate change. To understand the effect such small particles have on the climate, we first need to understand how they form and how they behave. Soot particles are produced from incomplete combustion processes of hydrocarbons, forming a mixture of graphitic and amorphous structures instead of carbon dioxide. Soot properties depend on combustion conditions, such as fuel type, temperature, and pressure. Many experiments have been conducted in a laboratory environment to understand the formation and properties of soot produced under different combustion conditions. Soot compositions can be inferred from their Raman spectra and the fluorescence emissions. Many spectroscopic techniques have been developed and applied widely in the lab scale, but not in naturally occurring conditions. For this reason, we aim to construct one for a atmospheric application based on the Scheimpflug principle and Raman scattering that is called Scheimpflug Raman Lidar (SRL). The Scheimpflug lidar technique has been used in many studies of insects, vegetation, and aquatic life. In the SRL, we use a high-power continuous-wave laser rather than a pulsed one. A simulation model was created prior to the theoretical model, which was optimized to resolve the Raman signal of soot. We successfully adapted the optimized construction and tested it on black soot (OP1 soot) and brown soot (OP6 soot) generated by a mini-CAST soot generator. To remove air contributions from these soot spectra, we combined SRL with polarization effects and Fast Fourier Transform (FFT) theory. By collecting data at various polarization angles, a FFT separated the unpolarized Raman signal of soot from the polarized air contributions. This split did not improve the Raman signal of soot, but it was able to identify all polarized contributions within the Raman spectrum, such as carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and water vapor. This technique can thus be used to identify what gases are part of the combustion process.}},
  author       = {{Dahlberg, Liam}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Construction of a hyperspectral Scheimpflug lidar for soot characterization in the aerosol phase}},
  year         = {{2026}},
}