Doppel-Frequenzkamm-Spektrometer für die Spurengasdetektion

Von:

Leonard Nitzsche

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Um die technischen Möglichkeiten für die Molekularspektroskopie und Spurengasdetektion von einer Vielzahl an Gasen zu erweitern, wird in dieser Arbeit ein Spektrometer auf Basis zweier optischer Frequenzkämme vorgestellt. Die optischen Frequenzkämme werden bei einer Wellenlänge von 1550 nm erzeugt und erlauben sowohl eine flexible Auflösung im Bereich von 0,008 cm-1 bis 0,017 cm-1 wie auch eine anpassbare spektralen Abdeckung von 8 cm-1 bis 19 cm-1. Die Implementierung einer Echtzeit Signalverarbeitung ermöglicht die kontinuierliche Datenaufnahme mit einer Aktualisierungsrate der Spektren von 10 Hz. Die Anwendung für die Molekularspektroskopie wird am Beispiel der Bestimmung der Druckverschiebungskoeffizienten der Absorptionslinien P18 bis P23 der 1-Bande von Cyanwasserstoff bei 1550 nm demonstriert. Um weitere relevante Gase adressieren zu können, werden die Frequenzkämme mittels Differenzfrequenzerzeugung ins mittlere Infrarot übertragen. Somit können die Doppel-Frequenzkämme im spektralen Bereich von 3000 nm bis 4700 nm ohne Verlust deren Flexibilitäten bereitgestellt werden. Die Fähigkeit das Spektrometer für die simultane Detektion zweier Spurengase wird anhand einer exemplarischen Messreihe von Gasgemischen mit verdünntem Kohlenstoffmonoxid- und Lachgas-Anteilen (ppm) demonstriert. Das System zeigt ein lineares Ansprechverhalten unter Variation der Konzentrationen mit einem Bestimmtheitsmaß R² > 0,9999 nach linearer Anpassung. Mit einer 10 Hz Aktualisierungsrate können die Konzentrationen (ppm) mit einer Genauigkeit von 6 verfolgt werden. Zusätzlich wird die schnelle Spektralanalyse auf Basis eines künstlichen neuronalen Netzes demonstriert, sodass die Auswertezeiten auf 300 µs pro Spektrum reduziert werden können.