Abstract

A new approach to detecting a weak photoacoustic signal in a gas medium is described. Instead of a gas-filled resonant acoustic cavity, the sound energy is accumulated in a high-Q crystal element. Feasibility experiments utilizing a quartz-watch tuning fork demonstrate a sensitivity of 1.2×10-7 cm-1 W/Hz. Potential further developments and applications of this technique are discussed.

© 2002 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. Miklós, P. Hess, and Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001).
    [CrossRef]
  2. D. Hofstetter, M. Beck, J. Faist, M. Nägele, and M. W. Sigrist, Opt. Lett. 26, 887 (2001).
    [CrossRef]
  3. D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
    [CrossRef]
  4. K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
    [CrossRef]
  5. P. C. D. Hobbs, Opt. Photon. News 12(4), 44 (2001).
    [CrossRef]
  6. R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
    [CrossRef]
  7. L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
    [CrossRef]

2002 (1)

D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
[CrossRef]

2001 (3)

P. C. D. Hobbs, Opt. Photon. News 12(4), 44 (2001).
[CrossRef]

A. Miklós, P. Hess, and Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001).
[CrossRef]

D. Hofstetter, M. Beck, J. Faist, M. Nägele, and M. W. Sigrist, Opt. Lett. 26, 887 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

1998 (1)

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

1995 (1)

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

Acimovic, J.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Beck, M.

Bozóki, Z.

A. Miklós, P. Hess, and Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001).
[CrossRef]

Brown, L. R.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Camy-Peyret, C.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Chance, K. V.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Cherkun, A. P.

D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
[CrossRef]

Dana, V.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Edwards, D. P.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Faist, J.

Flaud, J.-M.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Gamache, R. R.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Goldman, A.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Grober, R. D.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

Hespanha, J.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Hess, P.

A. Miklós, P. Hess, and Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001).
[CrossRef]

Hessman, D.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Hobbs, P. C. D.

P. C. D. Hobbs, Opt. Photon. News 12(4), 44 (2001).
[CrossRef]

Hofstetter, D.

Jucks, K. W.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Karrai, K.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

Kindlemann, P. J.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Letokhov, V. S.

D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
[CrossRef]

Loginov, B. A.

D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
[CrossRef]

Mandin, J.-Y.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Manus, S.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Massie, S. T.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

McCann, A.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Miklós, A.

A. Miklós, P. Hess, and Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001).
[CrossRef]

Morse, A. S.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Nägele, M.

Nemtchinov, V.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Perrin, A.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Rinsland, C. P.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Rothman, L. S.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Schroeder, J.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Schuck, J.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Serebryakov, D. V.

D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
[CrossRef]

Sigrist, M. W.

Tiemann, I.

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

Varanasi, P.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Wattson, R. B.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Yoshino, K.

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer (1)

L. S. Rothman, C. P. Rinsland, A. Goldman, S. T. Massie, D. P. Edwards, J.-M. Flaud, A. Perrin, C. Camy-Peyret, V. Dana, J.-Y. Mandin, J. Schroeder, A. McCann, R. R. Gamache, R. B. Wattson, K. Yoshino, K. V. Chance, K. W. Jucks, L. R. Brown, V. Nemtchinov, and P. Varanasi, J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Opt. Photon. News (1)

P. C. D. Hobbs, Opt. Photon. News 12(4), 44 (2001).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (3)

R. D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P. J. Kindlemann, J. Hespanha, A. S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, and S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000).
[CrossRef]

A. Miklós, P. Hess, and Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001).
[CrossRef]

D. V. Serebryakov, A. P. Cherkun, B. A. Loginov, and V. S. Letokhov, Rev. Sci. Instrum. 73, 1795 (2002).
[CrossRef]

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 (3)

Fig. 1
Fig. 1

Optical configurations for photoacoustic signal detection with a TF. (a) The laser beam is perpendicular to the TF plane. (b) The laser beam is in the TF plane. (c) An acoustic resonator (sound tube) is added to enhance the signal. The laser beam is directed through the tube. The pressure antinode is in the center at the location of the tuning fork between the two pieces of the tube.

Fig. 2
Fig. 2

Experimental setup. The distributed-feedback diode laser current is modulated at half the TF resonant frequency f.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Two examples of spectral data acquired with the QEPAS technique. Total pressure in the gas cell is 375 Torr. The dashed curve and the solid curve depict 6.7% (right axis) and 0.17% (left axis) CH4 concentrations, respectively. (b) Simulated CH4 absorption at 0.17% CH4 concentration in the same spectral region obtained from HITRAN’96 data.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Normalized Response of the TF-Preamplifier Unit and Normalized Minimum (SNR=1) Detectable Absorption Coefficient for Three Configurations Shown in Fig. 1

Metrics