Development of Laser Spectroscopy for Scattering Media Applications

252 Pages·2007·14.41 MB·English

by  Mats Andersson

Development of Laser
Spectroscopy for Scattering
Media Applications
Mats Andersson
Doctoral Thesis
2007
Development of Laser Spectroscopy for Scattering Media
Applications
©2007MatsAndersson
Allrightsreserved
PrintedinSwedenbyMedia-Tryck,Lund,2007
DivisionofAtomicPhysics
DepartmentofPhysics
FacultyofEngineering,LTH
LundUniversity
P.O.Box118
SE–22100Lund
Sweden
http://www.atom.fysik.lth.se
ISSN 0281-2762
LundReportsonAtomicPhysics,LRAP-383
ISBN: 978-91-628-7252-6
Better late than never

Abstract
Laserspectroscopyforbothlargeandsmallspatialscaleshasbeen
developed and used in various applications ranging from remote
monitoring of atmospheric mercury in Spain to investigation of
oxygen contents in wood, human sinuses, fruit, and pharmaceu-
tical solids. Historically, the lidar group in Lund has performed
many differential absorption lidar (DIAL) measurements with a
mobile lidar system that was first described in 1987. During the
yearsthelidargrouphasfocusedonfluorescenceimagingandmer-
cury measurements in the troposphere. Five lidar projects are de-
scribed in this thesis: fluorescence imaging measurement outside
Avignon, France, a unique lidar project at a mercury mine in Al-
mad´en,Spain,aSO fluxmeasurementatapapermillinNym¨olla,
2
Sweden, and two fluorescence imaging projects related to remote
monitoring of vegitation and building facades characterization.
Anewmethodtomeasurewindspeedremotelyincombination
with DIAL measurements is presented in this thesis. The wind
sensortechniqueiscalledvideographyandisbasedonthatimages
of plumes are grabbed continuously and the speed is estimated by
the use of image processing.
A technique that makes it possible to measure a gas in solids
and turbid media, non-intrusively, is presented in this thesis. The
technique is called gas in in scattering media absorption spec-
troscopy(GASMAS)andhasbeenusedsince2001. TheGASMAS
concept means that a traditional spectroscopy instrument, based
on tunable diode lasers, is used but the gas cell or optical path is
replaced by a material that strongly scatters light. Mostly, wave-
length modulation spectroscopy has been utilized. Four projects
using the GASMAS technique to measure gases in fruit, wood,
pharmaceuticalsolids,andhumantissuearepresented. Twoappli-
cations have shown a great potential so far; to be able to diagnose
the health of human sinuses and gas ventilation in sinuses, and to
measure gas inside pharmaceutical solids. A performance analysis
of the GASMAS technique is included. This thesis also presents a
technique to suppress optical noise in fiber lasers and how to con-
struct a compact tunable diode laser spectroscopy system based
on plug-in boards for a standard computer.
v

Popula¨rvetenskaplig
sammanfattning
I Nationalencyklopedin st˚ar det att spektroskopi ¨ar en metod f¨or
att studera molekyler, atomer och atomk¨arnor med hj¨alp av dess
spektra. Man anv¨ander b˚ade elektromagnetisk str˚alning och par-
tikelstr˚alninginomspektroskopin. Spektroskopianv¨andsinomast-
ronomi,kemi,fysikochmedicin. Ordetspektroskopikommerifr˚an
latinetochbetyder”atttitta”vilketf¨orklarasavatthistorisktsett
s˚a anva¨nde man endast synligt ljus f¨or att studera gaser, v¨atskor
och fast kroppar.
Alla ting absorberar och sprider elektromagnetisk str˚alning
olika vilket f¨orklarar varf¨or bladet ¨ar gr¨ont, varf¨or himlen ¨ar bl˚a
osv. n¨ar de belyses av solljus. Solljuset inneh˚aller som bekant alla
regnb˚agens f¨arger. Samma sak g¨aller gaser som absorberar ljus
medf¨argf¨ordelningsom¨arberoendep˚atypavgas,tryck,tempera-
tur osv. Man brukar s¨aga att en gas har ett fingeravtryck vilket
nyttjas inom laserbaserad spektroskopi d¨ar lasern st¨alls in, likt en
radios¨andare, p˚a den v˚agl¨angd hos gasen som man vill m¨ata p˚a.
I denna avhandling anv¨ands uteslutande laserbaserad spekt-
roskopi f¨or att studera koncentrationen av gaser i atmosf¨aren
och i fasta material som frukt, tr¨a, v¨axter och m¨ansklig v¨avnad.
Syftet med avhandlingen ¨ar att utveckla och anv¨anda laserbase-
rade metoder f¨or att m¨ata gaser i atmosf¨aren och i fasta kroppar.
Avhandlingen beskriver ett antal projekt d¨ar metoder anv¨ands
och utvecklas successivt. Det finns ocks˚a beskrivet projekt som
beskriverm¨atningaravfluorescenshosorganiskav¨axterochbygg-
nader.
F¨or att m¨ata gaser i atmosf¨aren anv¨ands en optisk radar d¨ar
s¨andaren best˚ar av en kraftig laser som skickar ut korta ljuspulser
i atmosf¨aren. Teknikens utveckling p˚ab¨orjades p˚a 1960-talet och
kallasf¨orlidar(lightdetectionandranging). Enlitendelavljuset
reflekteras i atmosf¨aren av sm˚a partiklar (aerosoler) och n˚ar ett
teleskop d¨ar ljuset samplas in. Denna effekt kan ¨aven ses om man
g˚ar ut en m¨ork kv¨all och lyser rakt upp med en ficklampa. Man
kan d˚a se ljusk¨aglan eftersom sm˚a partiklar i luften reflekterar
vii
Abstract
ljuset tillbaka. Genom att v¨axelvis skicka ut ljus som absorberas
och som inte absorberas av aktuell gas kan koncentrationen av
gaser som t.ex. ozon, svaveldioxid och kvicksilver m¨atas. Det ¨ar
en utrustning som, om den placeras i ett flygplan, kan anv¨andas
f¨orattm¨atap˚aozonh˚aletvidNordpolen. Exempelp˚aprojektsom
beskrivs ¨ar m¨atningar i Spanien d¨ar koncentrationen av kvicksil-
ver vid en kvicksilvergruva studerades och m¨atning av svaveldi-
oxidutsl¨app vid ett pappersbruk i Nym¨olla, Sverige.
I avhandlingen beskrivs ¨aven en ny metod f¨or m¨atning av
gaser i fasta och spridande material som v¨axter, frukt, tr¨a och
m¨anskligv¨avnad. Metodenkallasf¨orGASMAS(GasinScattering
Media Absorption Spectroscopy) och forskningen initierades 2001
p˚aavdelningf¨oratomfysikp˚aLundsUniversitet. Principenbygger
p˚a att laserljus skickas in i ett fast spridande material samtidigt
som laserljuset sveps ¨over den v˚agl¨angd d¨ar den aktuella gasen
absorberar ljus. F¨orloppet kan liknas med hur en operas˚angare
testar sin r¨ost genom att sjunga kontinuerliga skalor. En optisk
detektor samlar in ljuset efter det har ”skramlat runt” i provet.
N¨arlaserljusetsv˚agl¨angdsammantr¨affarmedgasensfingeravtryck
d¨ampas ljuset n˚agot mer vilket ¨ar precis vad vi m¨ater; desto mer
gas desto mer d¨ampning. Observera att det r¨or sig om mycket
sm˚a f¨or¨andringar av ljusstyrkan n¨ar en absorptionstopp passeras.
Vi talar om en liten f¨or¨andring p˚a en del av 100000. Allts˚a kr¨avs
det att utrustningen ¨ar k¨anslig. Det som ytterst begr¨ansar meto-
den ¨ar hur bra ljuset tr¨anger in i det fasta materialet. Med hj¨alp
avGASMAS-teknikenharvibl.a. unders¨oktfarmaceutiskatablet-
ter och bih˚alor i kind- och pannben. GASMAS-tekniken g¨or det
m¨ojligt att studera gasinneh˚allet i fasta material utan ingrepp
vilket ¨ar att f¨oredra.
Under arbetets g˚ang har mycket tid och kraft ¨agnats ˚at att
f¨orb¨attra GASMAS-metoden ur teknisk synvinkel. D˚a det mesta
av ljuset sprids och d¨ampas ¨ar det endast en br˚akdel som n˚ar
den optiska detektorn, kanske en del p˚a 1000. Samtidigt ska
en liten absorptionssignal p˚a en del p˚a 100000 detekteras vilket
¨okar utmaningen ytterligare. Avhandlingen beskriver de tekniska
metoder som har anv¨ants f¨or att n˚a dessa m˚al.
viii
List of Publications
Thisthesisisbasedonthefollowingpapers,whichwillbereferred
to by their roman numerals in the text.
I Remote monitoring of vegetation by spectral
measurements and multi-colour fluorescence
imaging
M. Andersson, H. Edner, P. Ragnarsson, J. Johansson,
S. Svanberg, and E. Wallinder.
Proc. Physical Measurements and Signatures in Remote
Sensing, 835–842, Val d’Is`ere, France (1994).
II Remote fluorescence measurements of vegetation
spectrally resolved and by multi-colour fluorescence
imaging
J. Johansson, M. Andersson, H. Edner, J. Mattsson, and
S. Svanberg.
J. Plant Physiol. 148, 632–637 (1996).
III A preliminary experiment on the remote sensing of
historical buildings by fluorescence Lidar
P. Weibring, M. Andersson, G. Cecchi, H. Edner,
J. Johansson, L. Pantani, V. Raimondi, B. Sundn´er and
S. Svanberg.
SPIE 3222, 372–382 (1997).
IV Atmospheric mercury concentrations and fluxes in
the Almad´en district (Spain)
R. Ferrara, B.E. Maserti, M. Andersson, H. Edner,
P. Ragnarson, S. Svanberg, and A. Hernandez.
Atmos. Env. 32, 3897–3904 (1998).
ix
List of Publications
V Remote monitoring of industrial emissions by
combination of lidar and plume velocity
measurements
P. Weibring, M. Andersson, H. Edner and S. Svanberg.
Appl. Phys. B 66, 383–388 (1998).
VI Studies of gas exchange in fruits using laser
spectroscopic techniques
L. Persson, B. Anderson, M. Andersson, M. Sj¨oholm, and
S. Svanberg.
Proceedings of FRUITIC 05, Information and Technology
for Sustainable Fruits and Vegetable Production., 543–552,
Montpellier, France (September 2005).
VII Spectroscopic studies of wood-drying processes
M. Andersson, L. Persson, M. Sj¨oholm, and S. Svanberg.
Optics Express 14, 3641–3653 (2006).
VIII Human sinus studies using monte carlo simulations
and diode laser gas absorption spectroscopy
L. Persson, E. Kristensson, L. Simonsson, M. Andersson,
K. Svanberg, and S. Svanberg.
Proceedings of the International Symposium of
Biophotonics, Nanophotonics and Metamaterials, 95-98,
Hangzhou, China (October 2006).
IX Approach to optical interference fringes reduction
in diode laser absorption spectroscopy
L. Persson, F. Andersson, M. Andersson, and S. Svanberg.
Appl. Phys. B 87, 523–530 (2007).
X Non-invasive characterization of pharmaceutical
solids by diode laser oxygen spectroscopy
T. Svensson, L. Persson, M. Andersson,
S. Andersson-Engels, S. Svanberg, J. Johansson, and S.
Folestad.
Appl. Spec. 61, 784–786 (2007).
XI Laser spectroscopy of gas in scattering media at
scales ranging from kilometers to millimeters
M. Andersson, R. Gr¨onlund, L. Persson, M. Sj¨oholm, K.
Svanberg, and S. Svanberg.
Laser Physics 17, 893-902 (2007).
x