Optical frequency comb spectroscopy (OFCS) combines two previously exclusive features, i.e., wide optical bandwidth and high spectral resolution, enabling precise measurements of entire molecular bands and simultaneous monitoring of multiple gas species in a short measurement time. Moreover, the equidistant mode structure of frequency combs enables efficient coupling of the comb power to enhancement resonant cavities, yielding high detection sensitivities. Different broadband detection methods have been developed to exploit the full potential of frequency combs in spectroscopy, based either on Fourier transform spectroscopy or on dispersive elements.There have been two main aims of the research presented in this thesis. The first has been to improve the performance of mechanical Fourier transform spectrometers (FTS) based on frequency combs in terms of sensitivity, resolution and spectral coverage. In pursuit of this aim, we have developed a new spectroscopic technique, so-called noise-immune cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy (NICE-OFCS), and achieved a shot-noise-limited sensitivity and low ppb (parts-per-billion, 10−9) CO2 concentration detection limit in the near-infrared range using commercially available components. We have also realized a novel method for acquisition and analysis of comb-based FTS spectra, a so-called sub-nominal resolution method, which provides ultra-high spectral resolution and frequency accuracy (both in kHz range, limited only by the stability of the comb) over the broadband spectral range of the frequency comb. Finally, we have developed an optical parametric oscillator generating a frequency comb in the mid-infrared range, where the strongest ro-vibrational molecular absorption lines reside. Using this mid-infrared comb and an FTS, we have demonstrated, for the first time, comb spectroscopy above 5 μm, measured broadband spectra of several species and reached low ppb detection limits for CH4, NO and CO in 1 s.The second aim has been more application-oriented, focused on frequency comb spectroscopy in combustion environments and under atmospheric conditions for fast and sensitive multispecies detection. We have demonstrated, for the first time, cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy in a flame, detected broadband high temperature H2O and OH spectra using the FTS in the near-infrared range and showed the potential of the technique for flame thermometry. For applications demanding a short measurement time and high sensitivity under atmospheric pressure conditions, we have implemented continuous-filtering Vernier spectroscopy, a dispersion-based spectroscopic technique, for the first time in the mid-infrared range. The spectrometer was sensitive, fast, robust, and capable of multispecies detection with 2 ppb detection limit for CH4 in 25 ms. / Optisk frekvenskamspektroskopi (OFCS) kombinerar två tidigare icke förenliga egenskaper, dvs. ett brett optiskt frekvensområde med en hög spektral upplösning, vilket möjliggör noggranna mätningar av hela molekylära absorptionsband och detektion av flera gaser samtidigt med en kort mättid. Eftersom frekvenskammar har en regelbunden struktur med jämnt separerade laser moder kan man effektivt koppla kammen till en optisk kavitet och därmed möjliggöra frekvenskamsdetektion med hög känslighet. Olika metoder har utvecklats för att utnyttja frekvenskammarnas fulla potential för spektroskopi, baserad på antingen Fouriertransform-spektroskopi eller dispersiva element.Forskningen som presenteras i denna avhandling har haft två huvudmål. Det första har varit att förbättra prestandan hos mekaniska Fourier-transformspektrometrar (FTS) baserat på frekvenskammar med avseende på känslighet, upplösning och spektral täckning. I strävan efter detta har vi utvecklat en ny spektroskopisk teknik, benämnd brusimmun kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi (NICE-OFCS), och uppnått en hagelbrusbegränsad känslighet och detektionsgränser ner till låga ppb koncentrationer (miljarddelar, 10−9) för CO2 i det när-infraröda frekvensområdet enbart med användning av kommersiellt tillgängliga komponenter. Vi har också utvecklat en ny metod för insamling och analys av kambaserade FTS-spektra, som betecknas ha sub-nominell upplösning. Metoden gör det möjligt att uppnå ultrahög spektral upplösning och hög frekvensnoggrannhet (båda i kHz-området, endast begränsad av kammens stabilitet) över kammens hela frekvensområde. Slutligen har vi utvecklat en optisk parametrisk oscillator som genererar en frekvenskam i det mid-infraröda frekvensområdet, där de starkaste rotations-vibrationsmolekylära absorptionslinjerna finns. Med hjälp av denna kam och en FTS har vi för första gången demonstrerat frekvenskamspektroskopi över 5 μm. Vi har detekterat bredbandsspektra av flera molekylära gaser och har, för mättider på 1 s, uppnått detektionsgränser ner till låga ppb halter för CH4, NO och CO.Det andra syftet har varit mer applikationsorienterat: att använda frekvenskamspektroskopi i förbränningsmiljö och under atmosfäriska förhållanden för snabb och känslig multiämnesdetektion. Vi har för första gången demonstrerat kavitetsförstärkt optisk frekvenskamspektroskopi i en flamma, där vi har detekterat högtemperaturspektra av H2O och OH i det när-infraröda området med användning av FTS och visat teknikens potential för termometrisk karakterisering av flammor. För applikationer som kräver en kort mättid och hög känslighet under atmosfäriska förhållanden har vi utvecklat ett detektionssystem baserat på Vernier-spektroskopi med kontinuerlig filtrering, vilket är en dispersionsbaserad teknik, för första gången i det mid-infraröda frekvensområdet. Det befanns att spektrometern var känslig, snabb, robust och kapabel till multiämnesdetektion med en detektionsgräns på 2 ppb för CH4 för korta mättider (25 ms).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:umu-134439 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Khodabakhsh, Amir |
| Publisher | Umeå universitet, Institutionen för fysik, Umeå : Umeå University |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0032 seconds