Abstract

A compact, high-speed tunable, diode-laser-based mid-infrared (MIR) laser source has been developed for absorption spectroscopy of CO2 at rates up to 10kHz. Radiation at 4.5μm with a mode-hop-free tuning range of 80GHz is generated by difference-frequency mixing the 860nm output of a distributed-feedback diode laser with the 1064nm output of a diode-pumped Nd:YAG laser in a periodically poled lithium niobate crystal. MIR absorption spectroscopy of CO2 with a detection limit of 44ppmm at 10kHz is demonstrated in a C2H4–air laminar diffusion flame and in the exhaust of a liquid-fueled model gas-turbine combustor.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. G. Allen, Meas. Sci. Technol. 9, 545 (1998).
    [CrossRef]
  2. M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
    [CrossRef]
  3. D. B. Oh, Opt. Lett. 20, 100 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.
  6. D. Richter, D. G. Lancaster, and F. K. Tittel, Appl. Opt. 39, 4444 (2000).
    [CrossRef]
  7. T. N. Anderson, R. P. Lucht, T. R. Meyer, S. Roy, and J. R. Gord, Opt. Lett. 30, 1321 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
    [CrossRef]
  9. J. T. C. Liu, J. B. Jeffries, and R. K. Hanson, Appl. Opt. 43, 6500 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]

2005

2004

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

J. T. C. Liu, J. B. Jeffries, and R. K. Hanson, Appl. Opt. 43, 6500 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2000

D. Richter, D. G. Lancaster, and F. K. Tittel, Appl. Opt. 39, 4444 (2000).
[CrossRef]

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

1998

M. G. Allen, Meas. Sci. Technol. 9, 545 (1998).
[CrossRef]

1995

Allen, M. G.

M. G. Allen, Meas. Sci. Technol. 9, 545 (1998).
[CrossRef]

Anderson, T. N.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, T. R. Meyer, S. Roy, and J. R. Gord, Opt. Lett. 30, 1321 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Baer, D. S.

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

Barron-Jimenez, R.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Belovich, V. M.

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

Brown, M. S.

Caton, J. A.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Corporan, E.

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

Critchley, I.

Flamand, L.

Gord, J. R.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. N. Anderson, R. P. Lucht, T. R. Meyer, S. Roy, and J. R. Gord, Opt. Lett. 30, 1321 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Hanna, S. F.

Hanson, R. K.

J. T. C. Liu, J. B. Jeffries, and R. K. Hanson, Appl. Opt. 43, 6500 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

Jeffries, J. B.

Lancaster, D. G.

Liu, J. T. C.

Lucht, R. P.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, T. R. Meyer, S. Roy, and J. R. Gord, Opt. Lett. 30, 1321 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Meyer, T. R.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, T. R. Meyer, S. Roy, and J. R. Gord, Opt. Lett. 30, 1321 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

Oh, D. B.

Richter, D.

Roy, S.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, T. R. Meyer, S. Roy, and J. R. Gord, Opt. Lett. 30, 1321 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Sanders, S. T.

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

Tittel, F. K.

Walther, T.

T. N. Anderson, R. P. Lucht, R. Barron-Jimenez, S. F. Hanna, J. A. Caton, T. Walther, S. Roy, M. S. Brown, J. R. Gord, I. Critchley, and L. Flamand, Appl. Opt. 44, 1491 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

Wang, J.

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

Webber, M. E.

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

Appl. Opt.

Combust. Flame

S. Roy, T. R. Meyer, R. P. Lucht, V. M. Belovich, E. Corporan, and J. R. Gord, Combust. Flame 138, 273 (2004).
[CrossRef]

Meas. Sci. Technol.

M. G. Allen, Meas. Sci. Technol. 9, 545 (1998).
[CrossRef]

Opt. Lett.

Proc. Combust. Inst.

M. E. Webber, J. Wang, S. T. Sanders, D. S. Baer, and R. K. Hanson, Proc. Combust. Inst. 28, 407 (2000).
[CrossRef]

Other

R. Barron-Jimenez, T. N. Anderson, J. A. Caton, R. P. Lucht, T. Walther, S. Roy, and J. R. Gord, “Application of a diode-laser-based sensor to carbon monoxide detection in the 4.4–4.8??m spectral region,” in preparation for submission to Appl. Phys. B.

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

Schematic of high-speed MIR C O 2 -absorption spectroscopy system.

Fig. 2
Fig. 2

Broadened C O 2 spectra centered at 2237.87 cm 1 in the Hencken burner at ϕ = 0.5 . Inset, detailed view of theoretical model compared with experimental data.

Fig. 3
Fig. 3

Broadened C O 2 spectra at 2237.5 cm 1 in the CFM56 combustor at ϕ = 0.5 , 0.8 . The inset for ϕ = 0.5 shows 15-shot data scatter at a 10 kHz scan rate.

Fig. 4
Fig. 4

10 kHz time-series measurements of C O 2 mole fraction at ϕ = 0.5 in the Hencken burner and CFM56 combustor.

Fig. 5
Fig. 5

Demonstration of simultaneous C O 2 and CO measurements centered at 2236.21 cm 1 in the CFM56 combustor.

Metrics