طراحی و بهینه سازی سلول حلقوی بیضوی برای بیناب نمایی جذبی لیزری

صادقی فراز, امین; قوامی صبوری, سعید; خورسندی, علیرضا

doi:10.29252/ijpr.18.2.207

طراحی و بهینه سازی سلول حلقوی بیضوی برای بیناب نمایی جذبی لیزری

نویسندگان

امین صادقی فراز

سعید قوامی صبوری

علیرضا خورسندی

گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه اصفهان، اصفهان

https://doi.org/10.29252/ijpr.18.2.207

چکیده

یک سلول حلقوی با سطح مقطع بیضی با اندازه فیزیکی کوچک برای افزایش طول جذب در بیناب نمایی معرفی و شبیه‌سازی شده است. در این بررسی با تغییر شعاع‌های هندسی بیضی بیشترین طول جذب برابر با 50/15 متر به دست آمد. با بهینه‌سازی سلول و وارد کردن شعاع‌های سهموی و مماسی بیضی که پرتو از روی آنها بازتاب می‌شود نشان داده شده که با بیشینه طول جذب به دست آمده واگرایی پرتو را می‌توان با بهینه‌سازی شعاع‌های یادشده تا 54 میکرون کاهش داد. سپس نسبت سیگنال به نوفه را با فرض حضور گاز co2 در سلول برای خط گذار (16)R محاسبه و نشان دادیم که این مقدار را می‌توان در حالت بهینه تا 310 افزایش داد. سرانجام با بهره‌گیری از الگوریتم ژنتیک سلول را با در نظر گرفتن همه پارامترهای مؤثر در کارایی آن بهینه‌سازی کرده، مشاهده کردیم در بهترین حالت طول جذبی برابر با 24/8 متر با سیگنال به نوفه 107 می‌توان در سلولی به شعاع‌های انحنای هندسی 95/5 و 59/4 سانتی‌متر به دست آورد.

کلیدواژه‌ها

بیناب‌نمایی جذبی

سلول جذبی چند عبوری حلقوی

عنوان مقاله English

Design and optimization of an elliptical cell for laser absorption spectroscopy

نویسندگان English

A sadeghifaraz

S ghavami sabouri

ِA R khorsandi

چکیده English

. An annular cell with elliptical cross section and small physical size is introduced and simulated for increasing the absorption length in the spectroscopy. In this investigation by changing of the geometrical radius of the ellipse an absorption length of 15.50 m is obtained. By the optimization of the cell and including the sagittal and tangential radius of the ellipse that reflect the beam, it is shown that at the obtained absorption length, it is possible to reduce the divergence of the beam down to 54 µm. Then, signal-to-noise ratio (SNR) is calculated for R(16) CO2 absorption line by assuming that the cell is filled by the gas. The results of this calculation indicated that under optimum condition the SNR can be increased up to 310. Finally, the cell is optimized using Genetic algorithm by including all the effective parameters which affect the efficiency of the cell. We found that in the best case an absorption length of 8.24 m with a SNR of 107 can be achieved when the geometrical radius of the cell being fixed at 5.95 and 4.59 cm.

کلیدواژه‌ها English

Absorption spectroscopy

Annular multipass absorption cell

1. Hodgkinson, J. and R.P. Tatam, Optical gas sensing: a review. Measurement Science and Technology, 2013. 24(1): p. 012004.
2. Muraviev, A., et al., Quantum cascade laser intracavity absorption spectrometer for trace gas sensing. Applied Physics Letters, 2013. 103(9): p. 091111.
3. Heard, D., Analytical techniques for atmospheric measurement. 2008: John Wiley & Sons.
4. Galli, I., et al., Comb-assisted subkilohertz linewidth quantum cascade laser for high-precision mid-infrared spectroscopy. Applied Physics Letters, 2013. 102(12): p. 121117.
5. Orghici, R., et al., A microring resonator sensor for sensitive detection of 1, 3, 5-trinitrotoluene (TNT). Sensors, 2010. 10(7): p. 6788-6795.
6. Hosseinmardi, A., et al., A study on the photoluminescence properties of electrospray deposited amorphous and crystalline nanostructured ZnO thin films. Ceramics International, 2012. 38(3): p. 1975-1980.
7. Wojtas, J., et al., Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy and Photoacoustic Spectroscopy for Human Breath Analysis. International Journal of Thermophysics, 2014. 35(12): p. 2215-2225.
8. Bond, T., et al. Multiplexed gas spectroscopy using tunable VCSELs. in Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering. 2012. Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA.
9. Kaur, D., et al., Multipass cell for molecular beam absorption spectroscopy. Applied optics, 1990. 29(1): p. 119-124.
10. Crawley, L.H., Application of non-dispersive infrared (NDIR) spectroscopy to the measurement of atmospheric trace gases. 2008.
11. McManus, J.B., P.L. Kebabian, and M. Zahniser, Astigmatic mirror multipass absorption cells for long-path-length spectroscopy. Applied Optics, 1995. 34(18): p. 3336-3348.
12. Hodgson, N. and H. Weber, Laser resonators and beam propagation. 2005: Springer.
13. Khorsandi, A., et al., Application of a characterized difference-frequency laser source to carbon monoxide trace detection. Chinese Physics B, 2012. 21(6): p. 064213.
14. Tuzson, B., et al., Compact multipass optical cell for laser spectroscopy. Optics letters, 2013. 38(3): p. 257-259.
15. Dyroff, C., Optimum signal-to-noise ratio in off-axis integrated cavity output spectroscopy. Optics letters, 2011. 36(7): p. 1110-1112.
16. Yariv, A., Optical electronics in modern communications. Vol. 1. 2008: Oxford university press.
17. Rothman, L.S., et al., The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2005. 96(2): p. 139-204.
18. Dobrowolski, J., et al., Merit functions for more effective thin film calculations. Applied optics, 1989. 28(14): p. 2824-2831.
19. Tikhonravov, A.V., M.K. Trubetskov, and G.W. DeBell, Application of the needle optimization technique to the design of optical coatings. Applied optics, 1996. 35(28): p. 5493-5508.