Abstract

A quantum cascade (QC) laser-based spectrometer is developed to measure trace gases in air. The proposed spectrometer is tested for N<sub>2</sub>O, and the results presented in this letter. This system takes advantage of recent technology in QC lasers by utilizing intra-pulse scan spectroscopy, which allows high sensitive measurement. Without calibration gases, the gas concentration can be calculated with scan integration and the corresponding values from the HITRAN04 database. By analyzing the Allan variance, a detection limit of 2 ppb is obtained. Continuous measurement of N<sub>2</sub>O sampled from ambient air shows the applicability of the proposed system for the field measurements of gases of environmental concern.

© 2012 Chinese Optics Letters

PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. Manne, W. Jager, and J. Tulip, Proc. SPIE 6900, 1 (2008).
  2. J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).
  3. C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).
  4. X. Zhou, Diode-laser absorption sensors for combustion control, PhD. Thesis (Stanford University, 2005).
  5. E. Normand, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Commun: 197, 115 (2001).
  6. E. Normand, M. McCulloch, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Lett. 28, 16 (2003).
  7. M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).
  8. M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).
  9. D. P. Leleux, \Novel laser-based gas sensor for trace gas detection in a Spacecraft Habitat", PhD. Thesis (Rice University, 2002).
  10. P. Werle, R. Miicke, and F. Slemr, Appl. Phys. B 57, 131 (1993).
  11. J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).
  12. W. Demtroder, Laser Spectroscopy (Springer, Berlin, 1982).
  13. J. A. Barnes and D. W. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1966).

2009

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

2008

J. Manne, W. Jager, and J. Tulip, Proc. SPIE 6900, 1 (2008).

2003

2001

E. Normand, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Commun: 197, 115 (2001).

1998

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

1994

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

1993

P. Werle, R. Miicke, and F. Slemr, Appl. Phys. B 57, 131 (1993).

1971

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

1966

J. A. Barnes and D. W. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1966).

Allan, D. W.

J. A. Barnes and D. W. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1966).

Baillargeon, J. N.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

Barnes, J. A.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

J. A. Barnes and D. W. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1966).

Capasso, F.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Chen, Z.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

Chi, A. R.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Cho, A. Y.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Chu, S. N. G.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

Cutler, L. S.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Duxbury, G.

E. Normand, M. McCulloch, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Lett. 28, 16 (2003).

E. Normand, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Commun: 197, 115 (2001).

Faist, J.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Gmachl, C.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

Healey, D. J.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Hutchinson, A. L.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Jager, W.

J. Manne, W. Jager, and J. Tulip, Proc. SPIE 6900, 1 (2008).

Kan, R.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

Langford, N.

E. Normand, M. McCulloch, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Lett. 28, 16 (2003).

E. Normand, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Commun: 197, 115 (2001).

Leeson, D. B.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Liu, J.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

Liu, W.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

Manne, J.

J. Manne, W. Jager, and J. Tulip, Proc. SPIE 6900, 1 (2008).

McCulloch, M.

McGunigal, T. E.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Miicke, R.

P. Werle, R. Miicke, and F. Slemr, Appl. Phys. B 57, 131 (1993).

Mullen, J. A.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Normand, E.

E. Normand, M. McCulloch, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Lett. 28, 16 (2003).

E. Normand, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Commun: 197, 115 (2001).

Sirtori, C.

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Sivco, D. L.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Slemr, F.

P. Werle, R. Miicke, and F. Slemr, Appl. Phys. B 57, 131 (1993).

Smith, W. L.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Sydnor, R. L.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Tang, Y.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

Tredicucci, A.

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

Tulip, J.

J. Manne, W. Jager, and J. Tulip, Proc. SPIE 6900, 1 (2008).

Vessot, R. F. C.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Wang, M.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

Werle, P.

P. Werle, R. Miicke, and F. Slemr, Appl. Phys. B 57, 131 (1993).

Winkler, G. M. R.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

Zhang, Y.

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

Appl. Phys. B

P. Werle, R. Miicke, and F. Slemr, Appl. Phys. B 57, 131 (1993).

Appl. Phys. Lett:

C. Gmachl, F. Capasso, J. Faist, A. L. Hutchinson, A. Tredicucci, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett: 72, 1430 (1998).

IEEE Trans.

J. A. Barnes, A. R. Chi, L. S. Cutler, D. J. Healey, D. B. Leeson, T. E. McGunigal, J. A. Mullen, W. L. Smith, R. L. Sydnor, R. F. C. Vessot, and G. M. R. Winkler, IEEE Trans. IM-20, 105 (1971).

J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese)

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, J. Atmos. Environ. Opt. (in Chinese) 4, 1 (2009).

Opt. Commun:

E. Normand, G. Duxbury, and N. Langford, Opt. Commun: 197, 115 (2001).

Opt. Lett.

Proc. IEEE

J. A. Barnes and D. W. Allan, Proc. IEEE 54, 221 (1966).

Proc. SPIE

J. Manne, W. Jager, and J. Tulip, Proc. SPIE 6900, 1 (2008).

Science

J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 (1994).

Spectro. Spectral Analysis (in Chinese)

M. Wang, Y. Zhang, W. Liu, R. Kan, Z. Chen, Y. Tang, and J. Liu, Spectro. Spectral Analysis (in Chinese) 29, 3181 (2009).

Other

D. P. Leleux, \Novel laser-based gas sensor for trace gas detection in a Spacecraft Habitat", PhD. Thesis (Rice University, 2002).

X. Zhou, Diode-laser absorption sensors for combustion control, PhD. Thesis (Stanford University, 2005).

W. Demtroder, Laser Spectroscopy (Springer, Berlin, 1982).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.