लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री

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लेज़र अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री उन तकनीकों को संदर्भित करता है जो अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री द्वारा गैस चरण में एक प्रजाति की एकाग्रता या मात्रा का आकलन करने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं।

सामान्य रूप से स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक,लेजर-आधारित तकनीक है यह गैस चरण में घटकों का पता लगाने और निरीक्षण में किय जाता है। वे कई महत्वपूर्ण गुणों को जोड़ते हैं, जैसे एक उच्च संवेदनशीलता और गैर-अन्तर्वेधी सुदूर संवेदन क्षमताओं के साथ एक उच्च चयनात्मकता लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री गैस चरण में परमाणुओं और अणुओं के मात्रात्मक आकलन के लिए सबसे अच्छी उपयोग की जाने वाली तकनीक है।यह विभिन्न प्रकार के अन्य प्रयोगों के लिए एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीक भी है, जैसे प्रकाशिय आवृति, मापकीय क्षेत्र या प्रकाश पदार्थ के अध्ययन के लिए सबसे सरल तकनीक है। यह समस्वरित करने योग्य डायोड लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी है जो व्यवसायिक हो गया है और इसका उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है।

प्रत्यक्ष लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री

स्पेक्ट्रोमेट्री का सबसे आकर्षक लाभ यह है कि यह प्रजातियों का पूर्ण मात्रात्मक आकलन प्रदान करने की क्षमता रखता है।[1] इसका सबसे बड़ा नुकसान यह है कि यह उच्च स्तर से सत्ता में एक छोटे से परिवर्तन के माप पर निर्भर करता है । यह प्रकाश स्रोत या प्रकाशिय प्रणाली के माध्यम से संचरण द्वारा प्रस्तुत किया गया कोई भी शोर तकनीक की संवेदनशीलता को नष्ट कर देगा। यह प्रत्यक्ष लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्रिक तकनीक प्रायः अवशोषण का पता लगाने तक सीमित होती है जो लगभग 10−3 ,होती है और सैद्धांतिक शॉट कोलाहल स्तर से बहुत दूर है, जो कि एकल पास डी एस तकनीक के लिए 10 −7 से 10−8 श्रेणी की सीमा का पता लगाने के लिए पर्याप्त है।

कोलाहल को कम करने के लिए, बड़े संक्रमण की ताकत के साथ संक्रमण का उपयोग करके या प्रभावी पथ की लम्बाई बढ़ाने के सुधार में किया जा सकता है। पहला -एक मॉडुलन तकनीक के उपयोग से प्राप्त किया जा सकता है, दूसरा अपरंपरागत तरंग दैर्ध्य क्षेत्रों में संक्रमण का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जबकि तीसरा बाहरी गुहाओं का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

मॉड्यूलेटेड तकनीक

मॉड्यूलेशन तकनीक इस तथ्य का उपयोग करती है कि तकनीकी शोर प्रायः बढ़ती आवृत्ति के साथ घटता है। जिससे 1/f शोर के रूप में संदर्भित किया जाता है और उच्च आवृत्ति पर अवशोषण संकेतों का पता लगाने के लिए विपरीत संकेतो मे सुधार होता है, जिससे शोर स्तर सबसे कम हो, माँड्यूलेशन तकनीक, तरंग दैर्ध्य मॉड्यूलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी[2] और आवृत्ति मॉड्यूलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी [3] को अवशोषित संक्रमण के दौरान प्रकाश की आवृत्ति को अवलोकन करके इसे प्राप्त करते हैं ।दोनों तकनीकों का लाभ यह है कि अवशोषक की अनुपस्थिति में डिमोड्यूलेटेड संकेत कम होता है, लेकिन वे अवशिष्ट आयाम मॉड्यूलेशन द्वारा सीमित होते हैं, यह लेजर या प्रकाशीय प्रणाली में कई प्रतिबिंबों से पर्यावरणीय जांच और प्रक्रिया नियंत्रण प्रयोगों के लिए सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली लेजर-आधारित तकनीक है। यह डायोड लेजर और डब्ल्यूएम पर आधारित ।[4][5] डब्ल्यू एम एस और एफएमएस तकनीकों की विशिष्ट संवेदनशीलता 10 में है−5 श्रेणी पर आधारित है। उनकी अच्छी ट्यूनेविलिटी और लंबे जीवनकाल (> 10,000 घंटे) के कारण, सबसे व्यावहारिक लेजर-आधारित अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी आज 760 मिमि द्वारा वितरित प्रतिक्रिया लेजर द्वारा किया जाता है; नैनोमीटर-16 या μM श्रेणी मे यह उन प्रणालियों को जन्म देता है जो न्यूनतम रखरखाव के साथ हजारों घंटों तक चल सकती हैं।

मौलिक कंपन या विद्युत संक्रमणीय स्पेक्ट्रोमेट्री

.लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री की पहचान सीमा में सुधार का दूसरा तरीका, विद्युतकीय संक्रमणों में बड़ी लाइन शक्ति के साथ संक्रमणों को नियोजन करना है।, जिसमे सामान्यतः लगभग 5 माइक्रोन लाइन का बल होता है जो कि विशिष्ट कवरटोन संक्रमण की तुलना में अधिक परिमाण के लगभग 2 से 3 श्रेणी अधिक होते हैं। दूसरी ओर, विद्युतीय संक्रमणों में प्रायः परिणाम के 1 से 2 श्रेणी तक होता है जो बड़ी रेखा की ताकत है। विद्युतीय संक्रमणों के लिए संक्रमण ताकत[clarification needed], जो पराबैंगनी श्रेणी में स्थित हैं लगभग 227nm क्षेत्र की तुलना में बड़े परिमाण के लगभग 2 श्रेणी तक हैं।[citation needed]

एमआईआर क्षेत्र में काम करने वाले क्वांटम कैस्केड लेज़रों के तात्कालिक विकास ने अपने मौलिक कंपन बैंड पर अणु प्रजातियों की संवेदनशील पता लगाने के लिए नई संभावनाएं खोल दी हैं। विद्युत्कीय संक्रमणों को संबोधित करने वाले स्थिर सीडब्ल्यू प्रकाश को उत्पन्न करना अधिक कठिन है, क्योंकि ये अक्सर पराबैगनी क्षेत्र में स्थित होते हैं।

गुहा द्वारा बढ़ाया गया अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री

लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री की संवेदनशीलता में सुधार का तीसरा तरीका पथ की लंबाई बढ़ाना है। यह एक गुहा के अंदर प्रजातियों को रखकर प्राप्त किया जा सकता है जिसमें प्रकाश कई बार आगे और पीछे उछलता है, जिससे अन्योन्यक्रिया की लंबाई में अधिकतर वृद्धि हो सकती है। इसने सीईएएस के रूप में बढ़ाए गए गुहा में निरूपित तकनीकों के एक समूह को प्रेरित किया है। गुहा को लेजर के अंदर रखा जा सकता है, जब इसे बाहरी गुहा के रूप में संदर्भित किया जाता है, तो अंतर्गुहा को जन्म देता है । यद्यपि पूर्व तकनीक उच्च संवेदनशीलता प्रदान कर सकती है, इसकी व्यावहारिक प्रयोज्यता गैर-रैखिक प्रक्रियाओं द्वारा सीमित है।

बाहरी गुहा या तो बहुद्वार अवशोषण कोशिकाओं अर्थात् हेरियोट सेल या सफेद कोशिका (स्पेक्ट्रोस्कोपी), या गुंजयमान प्रकार का हो सकता है, जिसमे से अधिकतर एक फैब्री-पोरोट एटलोन के रूप में काम कर रहा है। जबकि बहुद्वार कोशिकाएं सामान्यतः लगभग 2 परिमाण के आदेशों तक की बढ़ी हुई अंतःक्रिया, लंबाई प्रदान कर सकती हैं, गुंजयमान गुहाएं गुहा के कुशलता के क्रम में बहुत बड़ी हुई पथ लंबाई प्रदान कर सकती हैं, जो संतुलन के लिए परावर्तन के साथ लगभग 99.99–99.999% और उच्च प्रतिबिंबित दर्पण के साथ गुहा की लम्बाई लगभग 104 से 105 हो सकता है।

गुंजयमान गुहाओं के साथ एक समस्या यह है कि एक उच्च कुशलपूर्ण गुहा में संकीर्ण अनुदैर्ध्य मोड होता है, जो अक्सर कम हेटर्स श्रेणी में होता है। चूंकि सी डब्लू लेज़रों में अक्सर मेगाहेर्त्ज़ श्रेणी में फ्री-रनिंग लाइन चौड़ी होती है, और स्पंदित होती रहती है, इसलिए लेजर प्रकाश को प्रभावी ढंग से एक उच्च कुशल गुहा में जोड़ा जाना कठिन होता है। यद्यपि, कुछ तरीके हैं जिस से इसे प्राप्त किया जा सकता है। इसे प्राप्त करने की एक विधि वर्चंस है, जो एक साथ कई गुहा मोड को एक साथ उत्साहित करने के लिए एक आवृत्ति कंघी लेजर को नियुक्त करती है और ट्रेस गैस के अत्यधिक समानांतर मानों के लिए अनुमति देती है।

गुहात्मक रिंग-डाउन स्पेक्ट्रोस्कोपी

गुहात्मक रिंग-डाउन स्पेक्ट्रोस्कोपी में मोड-मिलान की स्थिति को गुहा में एक छोटी प्रकाश पल्स को इंजेक्ट करके हटाया जाता है। शोषक का अनुमानित पल्स के गुहा क्षय समय की तुलना करके किया जाता है क्योंकि यह क्रमशः दूरस्थ अनुनाद गुहा से बाहर निकलता है। जबकि लेजर आयामकोलाहल से स्वतंत्र होता है। यह तकनीक सामान्यतः दो क्रमिक मापों और गुहा के माध्यम से कम संचरण के बीच प्रणालियों में बहाव द्वारा सीमित होती है।इसके अतिरिक्त दूरस्थ अनुनाद,लगभग 10−7 की श्रेणी में संवेदनशीलता नियमित रूप से प्राप्त की जा सकती है यद्यपि सबसे जटिल प्रारूप लगभग 10−9 से नीचे तक ही पहुंच सकते हैं। इसलिए सीआरडीएस ने विभिन्न परिस्थितियों में संवेदनशील ट्रेस गैस विश्लेषण के लिए एक मानक तकनीक बनाना शुरू कर दिया है।इसके अतिरिक्त सीआरडीएस अब विभिन्न भौतिक मापदंडों जैसे तापमान, दबाव, तनाव आदि,संवेदन के लिए एक प्रभावी तरीका है।[6]


एकीकृत गुहा उत्पादन स्पेक्ट्रोस्कोपी

एकीकृत गुहा उत्पादन स्पेक्ट्रोस्कोपी को कभी-कभी गुहा-संवर्धित अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोप के रूप में संदर्भित किया जाता है, जो गुहा दर्पणों में से एक के पीछे एकीकृत तीव्रता को अभिलेखबद्ध करता है, जबकि लेजर बार-बार एक या कई गुहा मोड में प्रवाहित हो जाता है।[citation needed] यद्यपि उच्च कुशलता वाली गुहाओं के लिए, गुहा मोड का अनुपात छोटा होता है, जो कि कुशलता के व्युत्क्रम द्वारा दिया जाता है, जिससे संचार के साथ-साथ एकीकृत अवशोषण छोटा हो जाता है। दूरस्थ ध्रुवीय COS (OA-ICOS) मुख्य अक्ष के संबंध में एक कोण से लेजर प्रकाश को गुहा में जोड़कर इस पर सुधार करता है ताकि अनुप्रस्थ मोड के उच्च घनत्व के साथ अंतःक्रिया न करें। यद्यपि तीव्रता में उतार-चढ़ाव प्रत्यक्ष ध्रुवीय ICO की तुलना में कम है, तकनीक, यद्यपि, अभी भी कम संचार और तीव्रता के उतार-चढ़ाव से सीमित है, जो कि उच्च क्रम अनुप्रस्थ मोड के आंशिक रूप से उत्तेजना के कारण है, और फिर सामान्यतः लगभग 10 से 10−7 संवेदनशीलता तक पहुंच सकता है।

निरंतर तरंग गुहा संवर्धित अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री

निरंतर तरंग गुहा संवर्धित अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री ऐसे तकनीकों का समूह है जिसमें गुहा में लेजर प्रकाश के निरंतर युग्मन के आधार पर सुधार करने की सबसे बड़ी क्षमता है,। यद्यपि इसके लिए गुहा मोड में से एक के लिए लेजर के एक सक्रिय अभिबंधन की आवश्यकता होती है। ऐसे दो तरीके हैं जिनसे यह किया जा सकता है, या तो प्रकाशीय या विद्युताकीय प्रतिक्रिया द्वारा।प्रकाशीय प्रतिपुष्टि अभिबंधन, मूल रूप से रोमनिनी एट अल द्वारा विकसित किया गया है। सीडब्ल्यू-सीआरडी के लिए,[7] लेजर को गुहा में अभिबंधित करने के लिए गुहा से प्रकाशीय प्रतिक्रिया का उपयोग करता है जबकि लेजर को धीरे-धीरे प्रोफाइल में स्कैन किया जाता है।इस सन्दर्भ में युग्मक दर्पण से बचने के लिए, एक वी-आकार के गुहा की आवश्यकता होती है।।[8] इलेक्ट्रॉनिक अभिबंधन को सामान्यतः पाउंड-ड्रेवर-हॉल तकनीक के साथ अनुभूत किया जाता है। पाउंड-ड्रेवर-हॉल तकनीक,[9]आजकल एक सुस्थापित तकनीक है, हालांकि कुछ प्रकार के लेज़रों के लिए इसे प्राप्त करना मुश्किल हो सकता है।[10][11] यह दिखाया गया है कि विद्युत्किय रूप से अभिबंधित किए गए निरंतर तरंग गुहा संवर्धित अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग ओवरटोन लाइनों पर संवेदनशीलता के लिए किया जा सकता है।[12][13][14]


कोलाहल रहित गुहा-संवर्धित प्रकाश संकरित आणविक स्पेक्ट्रोस्कोपी

अभिबंधित प्रस्ताव के साथ निरंतर तरंग गुहा संवर्धित अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री को सीधे संयोजित करने के सभी प्रयासों में एक चीज समान है;वे गुहा की पूरी शक्ति का उपयोग करने का प्रबंधन नहीं करते हैं, अर्थात् शॉट-कोलाहल स्तर के करीब भार तक पहुंचने के लिए, जो कि डीएएस से लगभग 2f/π बार नीचे है और लगभग 10−13 तक नीचे हो सकता है। इसके दो कारण है: (i) गुहा मोड के सापेक्ष लेजर की कोई भी शेष आवृत्ति कोलाहल, संकीर्ण गुहा मोड के कारण, सीधे प्रेषित प्रकाश में आयाम कोलाहल में परिवर्तित हो जाएगी, जिससे संवेदनशीलता नष्ट हो;और (ii) इनमें से कोई भी तकनीक किसी भी मॉड्यूलेशन तकनीक का उपयोग नहीं करती है, जहां वे अभी भी प्रणाली में 1/f कोलाहल से पीड़ित हैं। यद्यपि, एक तकनीक है जो अब तक एफएमएस के साथ अभिबंधित किए गए सीएएस को मिलाकर गुहा का पूरा उपयोग करने में सफल रही है ताकि इन दोनों समस्याओं को हटाया जा सके: कोलाहल रहित गुहा-संवर्धित प्रकाश संकरित आणविक स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक का पहला और अब तक अंतिम बोध, आवृत्ति मानक अनुप्रयोगों के लिए प्रदर्शन किया गया,जो 5•10−13 (1•10−14 cm−1 ) के आश्चर्यजनक रेखा तक पहुंच गया।[15] यह स्पष्ट है कि यह तकनीक, सही ढंग से विकसित की गई है जो ट्रेस गैस विश्लेषण के लिए किसी भी अन्य तकनीक की तुलना में एक बड़ी क्षमता है।[16]


संदर्भ

  1. ↑ A. Fried and D. Richter: Infrared absorption Spectroscopy, in Analytical Techniques for Atmospheric Measurements (Blackwell Publishing, 2006)
  2. ↑ Kluczynski, Pawel; Gustafsson, Jörgen; Lindberg, Åsa M.; Axner, Ove (2001). "Wavelength modulation absorption spectrometry — an extensive scrutiny of the generation of signals". Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 56 (8): 1277–1354. Bibcode:2001AcSpe..56.1277K. doi:10.1016/S0584-8547(01)00248-8. ISSN 0584-8547.
  3. ↑ Bjorklund, G. C.; Levenson, M. D.; Lenth, W.; Ortiz, C. (1983). "Frequency modulation (FM) spectroscopy". Applied Physics B: Photophysics and Laser Chemistry. 32 (3): 145–152. Bibcode:1983ApPhB..32..145B. doi:10.1007/BF00688820. hdl:10261/57307. ISSN 0721-7269. S2CID 117556046.
  4. ↑ Cassidy, D. T.; Reid, J. (1982). "Atmospheric pressure monitoring of trace gases using tunable diode lasers". Applied Optics. 21 (7): 1185–90. Bibcode:1982ApOpt..21.1185C. doi:10.1364/AO.21.001185. ISSN 0003-6935. PMID 20389829.
  5. ↑ P. Werle, F. Slemr, K. Maurer, R. Kormann, R. Mucke, and B. Janker, "Near- and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis", Opt. Las. Eng. 37 (2–3), 101–114 (2002).
  6. ↑ Paldus, Barbara A; Kachanov, Alexander A (2005). "An historical overview of cavity-enhanced methods". Canadian Journal of Physics. 83 (10): 975–999. Bibcode:2005CaJPh..83..975P. doi:10.1139/p05-054. ISSN 0008-4204.
  7. ↑ D. Romanini, A. A. Kachanav, J. Morville, and M. Chenevier, Proc. SPIE EUROPTO (Ser. Environmental Sensing) 3821 (8), 94 (1999)
  8. ↑ J. Morville, S. Kassi, M. Chenevier, and D. Romanini, "Fast, low-noise, mode-by-mode, cavity-enhanced absorption spectroscopy by diode-laser self-locking", Applied Physics B: Lasers and Optics 80 (8), 1027–1038 (2005)
  9. ↑ R. W. P. Drever, J. L. Hall, F. V. Kowalski, J. Hough, G. M. Ford, A. J. Munley, and H. Ward, "Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator", Applied Physics B 31 (2), 97–105 (1983)
  10. ↑ R. W. Fox, C. W. Oates, and L. W. Hollberg, "Stabilizing diode lasers to high finesse cavities", in Cavity-Enhanced Spectroscopies, R. D. van Zee and J. P. Looney, eds. (Elsevier Science, New York, 2002)
  11. ↑ J. L. Hall and T. W. Hansch, "External dye-laser frequency stabilizer", Optics Letters 9 (11), 502–504 (1984)
  12. ↑ K. Nakagawa, T. Katsuda, A. S. Shelkovnikov, M. Delabachelerie, and M. Ohtsu, "Highly Sensitive Detection of Molecular Absorption Using a High Finesse Optical Cavity", Optics Communications 107 (5–6), 369–372 (1994)
  13. ↑ M. Delabachelerie, K. Nakagawa, and M. Ohtsu, "Ultranarrow (C2H2)-C-13 Saturated-Absorption Lines at 1.5 Mu-M", Optics Letters 19 (11), 840–842 (1994)
  14. ↑ G. Gagliardi, G. Rusciano, and L. Gianfrani, "Sub-Doppler spectroscopy of (H2O)-O-18 at 1.4 μm", Applied Physics B: Lasers and Optics 70 (6), 883–888 (2000)
  15. ↑ L. S. Ma, J. Ye, P. Dube, and J. L. Hall, "Ultrasensitive frequency-modulation spectroscopy enhanced by a high-finesse optical cavity: theory and application to overtone transitions of C2H2 and C2HD", Journal of the Optical Society of America B-Optical Physics 16 (12), 2255–2268 (1999)
  16. ↑ A. Foltynowicz, F. M. Schmidt, W. Ma, and O. Axner, "Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectrometry: Current status and future potential", Applied Physics B 92, 313–326 (2008).


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