Abstract

We present photoacoustic (PA) spectroscopy measurements of carbon dioxide, methanol, and ammonia. The light source for the excitation was a single-mode quantum cascade distributed-feedback laser, which was operated in pulsed mode at moderate duty cycle and slightly below room temperature. Temperature tuning resulted in a typical wavelength range of 3 cm-1 at a linewidth of 0.2 cm-1. The setup was based on a Herriott multipass arrangement around the PA cell; the cell was equipped with a radial 16-microphone array to increase sensitivity. Despite the relatively small average laser power, the ammonia detection limit was 300 parts in 109 by volume.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
    [Crossref]
  2. 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).
    [Crossref]
  3. W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
    [Crossref]
  4. B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
    [Crossref]
  5. R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
    [Crossref]
  6. A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
    [Crossref]
  7. S. Bernegger and M. W. Sigrist, Infrared Phys. 30, 375 (1990).
    [Crossref]
  8. P. Repond and M. W. Sigrist, IEEE J. Quantum Electron. 32, 1549 (1996).
    [Crossref]
  9. D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
    [Crossref]
  10. R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
    [Crossref] [PubMed]
  11. D. Herriott, H. Kogelnik, and R. Kompner, Appl. Opt. 3, 523 (1964).
    [Crossref]
  12. A. Karbach and P. Hess, J. Chem. Phys. 84, 2945 (1986).

2001 (1)

D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
[Crossref]

2000 (2)

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

1999 (2)

1998 (2)

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).
[Crossref]

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

1996 (1)

P. Repond and M. W. Sigrist, IEEE J. Quantum Electron. 32, 1549 (1996).
[Crossref]

1990 (1)

S. Bernegger and M. W. Sigrist, Infrared Phys. 30, 375 (1990).
[Crossref]

1989 (1)

A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
[Crossref]

1986 (1)

A. Karbach and P. Hess, J. Chem. Phys. 84, 2945 (1986).

1964 (1)

Aellen, T.

D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
[Crossref]

Baillargeon, J. N.

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Beck, M.

D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
[Crossref]

Bernegger, S.

S. Bernegger and M. W. Sigrist, Infrared Phys. 30, 375 (1990).
[Crossref]

Bülow, J.

A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
[Crossref]

Capasso, F.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Cho, A. Y.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Chu, S. N. G.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Curl, R. F.

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

Faist, J.

D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Finger, N.

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

Gianordoli, S.

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

Gmachl, C.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Gornik, E.

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

Hammerich, M.

A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
[Crossref]

Harren, F. J. M.

Henningsen, J.

A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
[Crossref]

Herriott, D.

Hess, P.

A. Karbach and P. Hess, J. Chem. Phys. 84, 2945 (1986).

Hofstetter, D.

D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
[Crossref]

Hutchinson, A. L.

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Hvozdara, L.

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

Karbach, A.

A. Karbach and P. Hess, J. Chem. Phys. 84, 2945 (1986).

Kogelnik, H.

Köhler, R.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

Kompner, R.

Lancaster, D. G.

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

Liu, H. C.

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

Neu, W.

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

Olafsson, A.

A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
[Crossref]

Oomens, J.

Paiella, R.

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

Paldus, B. A.

Parker, D. H.

Repond, P.

P. Repond and M. W. Sigrist, IEEE J. Quantum Electron. 32, 1549 (1996).
[Crossref]

Richter, D.

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

Schrenk, W.

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

Sigrist, M. W.

P. Repond and M. W. Sigrist, IEEE J. Quantum Electron. 32, 1549 (1996).
[Crossref]

S. Bernegger and M. W. Sigrist, Infrared Phys. 30, 375 (1990).
[Crossref]

Sivco, D. L.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

B. A. Paldus, T. G. Spence, R. N. Zare, J. Oomens, F. J. M. Harren, D. H. Parker, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 24, 178 (1999).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Spence, T. G.

Strasser, G.

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

Tittel, F. K.

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

Tredicucci, A.

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

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).
[Crossref]

Zare, R. N.

Appl. Opt. (1)

Appl. Phys. B (2)

A. Olafsson, M. Hammerich, J. Bülow, and J. Henningsen, Appl. Phys. B 49, 91 (1989).
[Crossref]

D. Richter, D. G. Lancaster, R. F. Curl, W. Neu, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 67, 347 (1998).
[Crossref]

Appl. Phys. Lett. (4)

D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 78, 396 (2001).
[Crossref]

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).
[Crossref]

W. Schrenk, N. Finger, S. Gianordoli, L. Hvozdara, G. Strasser, and E. Gornik, Appl. Phys. Lett. 76, 253 (1999).
[Crossref]

R. Köhler, C. Gmachl, A. Tredicucci, F. Capasso, D. L. Sivco, S. N. G. Chu, and A. Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 76, 1092 (2000).
[Crossref]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

P. Repond and M. W. Sigrist, IEEE J. Quantum Electron. 32, 1549 (1996).
[Crossref]

Infrared Phys. (1)

S. Bernegger and M. W. Sigrist, Infrared Phys. 30, 375 (1990).
[Crossref]

J. Chem. Phys. (1)

A. Karbach and P. Hess, J. Chem. Phys. 84, 2945 (1986).

Opt. Lett. (1)

Science (1)

R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, and H. C. Liu, Science 290, 1739 (2000).
[Crossref] [PubMed]

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 (5)

Fig. 1
Fig. 1

Linewidth versus electrical pulse length for a QC DFB laser emitting at 10.4 μm. For the grating spectrometer data, there is a linewidth saturation at 0.16 cm-1 for pulse lengths below 20  ns. FTIR, Fourier-transform infrared spectrometer.

Fig. 2
Fig. 2

Fringe contrast versus mirror position (interferogram) of a DFB QC laser for four pulse lengths. Inset, the corresponding spectra.

Fig. 3
Fig. 3

PA absorption spectrum of CO2 at 950  mbars 10 bars=106Pa and at room temperature. The SNR decreases from 20 at 984 cm-1 to 10 at 981.5 cm-1.

Fig. 4
Fig. 4

Comparison of the absorption spectra of CH3OH measured with a FTIR (550  ppmV buffered in synthetic air, 950  mbars, 300  K, 3-m path length) and measured by PA spectroscopy (100 ppmV buffered in synthetic air, 950  mbars, 300  K).

Fig. 5
Fig. 5

Comparison of the absorption spectra of NH3 based on the HITRAN database and based on PA spectroscopy [10  ppmV/400  mbars, 10  ppmV/200  mbars, 600  ppbV (0.6  ppmV)/950  mbars, all buffered in synthetic air at 300  K].

Metrics