Abstract

A remote methane detection system has been developed using a single-frequency tunable optical parametric oscillator at 3.4μm infrared wavelength. The infrared received light is converted by a frequency upconverter with a strong pump beam to near-infrared wavelength at 0.81μm and detected by a sensitive photomultiplier. The conversion efficiency of the upconverter was 40% for the backscatter signal from a topographic target, and the detector sensitivity was 11 times higher than that of the cooled InAs detector. By raster scanning the infrared beam, imaging was realized for the methane gas plume with an accuracy of 20partsin106m at the range of 2m.

© 2007 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. A. Baumgartner and R. L. Byer, Appl. Opt. 17, 3555 (1978).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
    [CrossRef]
  3. T. Iseki, Environ. Geol. 44, 1064 (2004).
    [CrossRef]
  4. T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
    [CrossRef]
  5. J. Warner, Appl. Phys. Lett. 12, 222 (1968).
    [CrossRef]
  6. J. E. Midwinter, Appl. Phys. Lett. 12, 68 (1968).
    [CrossRef]
  7. R. A. Andrews, IEEE J. Quantum Electron. QE-4, 68 (1970).
    [CrossRef]
  8. T. Itabe and J. L. Bufton, Appl. Opt. 21, 2381 (1982).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. C. D. Brewer, B. D. Duncan, and E. A. Watoson, Opt. Eng. 41, 1577 (2002).
    [CrossRef]
  10. M. A. Albota and F. N. C. Wong, Opt. Lett. 29, 1449 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
    [CrossRef]

2006

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

2004

2002

C. D. Brewer, B. D. Duncan, and E. A. Watoson, Opt. Eng. 41, 1577 (2002).
[CrossRef]

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

1997

M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
[CrossRef]

1982

1978

1970

R. A. Andrews, IEEE J. Quantum Electron. QE-4, 68 (1970).
[CrossRef]

1968

J. Warner, Appl. Phys. Lett. 12, 222 (1968).
[CrossRef]

J. E. Midwinter, Appl. Phys. Lett. 12, 68 (1968).
[CrossRef]

Albota, M. A.

Andrews, R. A.

R. A. Andrews, IEEE J. Quantum Electron. QE-4, 68 (1970).
[CrossRef]

Aniolek, K. W.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Armstrong, K. M.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Asobe, M.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Bambha, R. P.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Baumgartner, R. A.

Bisson, S. E.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Brewer, C. D.

C. D. Brewer, B. D. Duncan, and E. A. Watoson, Opt. Eng. 41, 1577 (2002).
[CrossRef]

Bufton, J. L.

Byer, R. L.

Duncan, B. D.

C. D. Brewer, B. D. Duncan, and E. A. Watoson, Opt. Eng. 41, 1577 (2002).
[CrossRef]

Fejer, M.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Galech, J.

M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
[CrossRef]

Gardiner, T. D.

M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
[CrossRef]

Goers, U. B.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Goldberg, L.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Iseki, T.

T. Iseki, Environ. Geol. 44, 1064 (2004).
[CrossRef]

Itabe, T.

Kliner, D. A. V.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Koplow, J. P.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Kulp, T. J.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Levi, O.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Magari, K.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Mcrae, T. G.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Midwinter, J. E.

J. E. Midwinter, Appl. Phys. Lett. 12, 68 (1968).
[CrossRef]

Milton, M. J. T.

M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
[CrossRef]

Miyazawa, H.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Molero, F.

M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
[CrossRef]

Nishida, Y.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Pinguet, T.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Powers, P. E.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Reichardt, T. A.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Richman, B. A.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Schmitt, R.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Sommers, R.

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Suzuki, H.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Tadanaga, O.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Warner, J.

J. Warner, Appl. Phys. Lett. 12, 222 (1968).
[CrossRef]

Watoson, E. A.

C. D. Brewer, B. D. Duncan, and E. A. Watoson, Opt. Eng. 41, 1577 (2002).
[CrossRef]

Wong, F. N. C.

Yanagawa, T.

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Appl. Opt.

Appl. Phys. B

T. J. Kulp, S. E. Bisson, R. P. Bambha, T. A. Reichardt, U. B. Goers, K. W. Aniolek, D. A. V. Kliner, B. A. Richman, K. M. Armstrong, R. Sommers, R. Schmitt, P. E. Powers, O. Levi, T. Pinguet, M. Fejer, J. P. Koplow, L. Goldberg, and T. G. Mcrae, Appl. Phys. B 75, 317 (2002).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

J. Warner, Appl. Phys. Lett. 12, 222 (1968).
[CrossRef]

J. E. Midwinter, Appl. Phys. Lett. 12, 68 (1968).
[CrossRef]

Environ. Geol.

T. Iseki, Environ. Geol. 44, 1064 (2004).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron.

R. A. Andrews, IEEE J. Quantum Electron. QE-4, 68 (1970).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys. Part 1

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 45, 239 (2006).
[CrossRef]

Opt. Commun.

M. J. T. Milton, T. D. Gardiner, F. Molero, and J. Galech, Opt. Commun. 142, 153 (1997).
[CrossRef]

Opt. Eng.

C. D. Brewer, B. D. Duncan, and E. A. Watoson, Opt. Eng. 41, 1577 (2002).
[CrossRef]

Opt. Lett.

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.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic of the infrared imaging system of a methane gas plume. OPO, optical parametric oscillator; PMT, photomultiplier tube; LD, laser diode; LP, low-pass; BP, band-pass.

Fig. 2
Fig. 2

Quantum conversion efficiency of the infrared frequency upconverter as a function of pump power. The infrared signal power P 1 = 5 mW for the 3.39 μ m OPO beam and P 1 = 4.1 μ W for the backscattered infrared light.

Fig. 3
Fig. 3

Comparison of SNR for the upconverter and the InAs infrared detector as a function of infrared signal power. The detector characteristics are λ 1 = 3.39 μ m , S = 1.5 A W , B = 10 MHz , R L = 24 k Ω , F = 1.3 , T = 40 ° C , NEP = 0.69 pW Hz 1 2 for the InAs detector, and λ 2 = 808 nm , S = 60 mA W , G = 5 × 10 5 , B = 10 MHz , R L = 50 Ω , F = 1.3 , I d = 2 nA for the upconverter with PMT.

Fig. 4
Fig. 4

Imaging results of methane gas: (a) target picture; (b), (c) λ on and λ off signal images, respectively; (d) differential image.

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

η up = sin 2 ( π 2 ( 128 d eff 2 L h m ¯ c ε 0 n 1 n 2 λ 1 λ 2 λ p P p η p ) 1 2 ) ,
SNR up = ( P 1 η up G S ) 2 2 e G 2 F B ( P 1 η up S + I d ) + 4 k T B R L ,
SNR D = ( P 1 S ) 2 2 e F B P 1 S + NEP 2 S 2 B ,

Metrics