Abstract

We demonstrate gas detection based on evanescent-wave photoacoustic (PA) spectroscopy with tapered optical fibers. Evanescent-field instead of open-path absorption is exploited for PA generation, and a quartz tuning fork is used for PA detection. A tapered optical fiber with a diameter down to the wavelength scale demonstrates detection sensitivity similar to an open-path system but with the advantages of easier optical alignment, smaller insertion loss, and multiplexing capability.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
    [CrossRef]
  2. G. Stewart, W. Jin, and B. Culshaw, Sensors Actuators B 38, 42 (1997).
    [CrossRef]
  3. H. Tai, H. Tanaka, and T. Yoshino, Opt. Lett. 12, 437 (1987).
    [CrossRef]
  4. Y. L. Hoo, W. Jin, C. Shi, H. L. Ho, D. N. Wang, and S. C. Ruan, Appl. Opt. 42, 3509 (2003).
    [CrossRef]
  5. Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
    [CrossRef]
  6. A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
    [CrossRef]
  7. A. A. Kosterev, Y. A. Bakhirkin, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Opt. Lett. 27, 1902 (2002).
    [CrossRef]
  8. A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
    [CrossRef]
  9. S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
    [CrossRef]
  10. A. Kosterev and F. K. Tittel, Appl. Opt. 43, 6213 (2004).
    [CrossRef]
  11. L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
    [CrossRef]
  12. K. Liu, X. Guo, H. Yi, W. Chen, W. Zhang, and X. Gao, Opt. Lett. 34, 1594 (2009).
    [CrossRef]
  13. L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
    [CrossRef]
  14. L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
    [CrossRef]
  15. H. Xuan, W. Jin, and S. Liu, Opt. Lett. 35, 85 (2010).
    [CrossRef]
  16. 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]
  17. T. Laurila, H. Cattaneo, V. Koskinen, J. Kauppinen, and R. Hernberg, Opt. Express 13, 2453 (2005).
    [CrossRef]

2010 (2)

L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
[CrossRef]

H. Xuan, W. Jin, and S. Liu, Opt. Lett. 35, 85 (2010).
[CrossRef]

2009 (3)

K. Liu, X. Guo, H. Yi, W. Chen, W. Zhang, and X. Gao, Opt. Lett. 34, 1594 (2009).
[CrossRef]

A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
[CrossRef]

S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
[CrossRef]

2005 (4)

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[CrossRef]

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

T. Laurila, H. Cattaneo, V. Koskinen, J. Kauppinen, and R. Hernberg, Opt. Express 13, 2453 (2005).
[CrossRef]

2004 (1)

2003 (3)

Y. L. Hoo, W. Jin, C. Shi, H. L. Ho, D. N. Wang, and S. C. Ruan, Appl. Opt. 42, 3509 (2003).
[CrossRef]

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

2002 (1)

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]

1997 (1)

G. Stewart, W. Jin, and B. Culshaw, Sensors Actuators B 38, 42 (1997).
[CrossRef]

1987 (1)

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]

Ashcom, J. B.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Atherton, K.

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

Bakhirkin, Y. A.

Cattaneo, H.

Chen, W.

Culshaw, B.

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

G. Stewart, W. Jin, and B. Culshaw, Sensors Actuators B 38, 42 (1997).
[CrossRef]

Curl, R. F.

Dong, L.

L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
[CrossRef]

Elia, A.

A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
[CrossRef]

Franco, C. D.

A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
[CrossRef]

Gao, X.

Gattass, R. R.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[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]

Guo, X.

He, S. L.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Hernberg, R.

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]

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]

Ho, H. L.

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[CrossRef]

Y. L. Hoo, W. Jin, C. Shi, H. L. Ho, D. N. Wang, and S. C. Ruan, Appl. Opt. 42, 3509 (2003).
[CrossRef]

Hoo, Y. L.

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[CrossRef]

Y. L. Hoo, W. Jin, C. Shi, H. L. Ho, D. N. Wang, and S. C. Ruan, Appl. Opt. 42, 3509 (2003).
[CrossRef]

Jin, W.

H. Xuan, W. Jin, and S. Liu, Opt. Lett. 35, 85 (2010).
[CrossRef]

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[CrossRef]

Y. L. Hoo, W. Jin, C. Shi, H. L. Ho, D. N. Wang, and S. C. Ruan, Appl. Opt. 42, 3509 (2003).
[CrossRef]

G. Stewart, W. Jin, and B. Culshaw, Sensors Actuators B 38, 42 (1997).
[CrossRef]

Johnstone, W.

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

Ju, J.

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[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]

Kauppinen, J.

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]

Koskinen, V.

Kosterev, A.

Kosterev, A. A.

L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
[CrossRef]

S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, Y. A. Bakhirkin, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Opt. Lett. 27, 1902 (2002).
[CrossRef]

Laurila, T.

Liu, K.

Liu, S.

Lou, J.

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

Lou, J. Y.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Lugarà, P. M.

A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
[CrossRef]

Malinovsky, A. L.

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[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]

Maxwell, I.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Mazur, E.

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Morozov, I. V.

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[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]

Ruan, S. C.

Schilt, S.

S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
[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.

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[CrossRef]

Shen, M. Y.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Shi, C.

Spagnolo, V.

A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
[CrossRef]

Stewart, G.

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

G. Stewart, W. Jin, and B. Culshaw, Sensors Actuators B 38, 42 (1997).
[CrossRef]

Svacha, G. T.

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

Tai, H.

Tanaka, H.

Thomazy, D.

L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
[CrossRef]

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]

Tittel, F. K.

L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
[CrossRef]

S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[CrossRef]

A. Kosterev and F. K. Tittel, Appl. Opt. 43, 6213 (2004).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, Y. A. Bakhirkin, R. F. Curl, and F. K. Tittel, Opt. Lett. 27, 1902 (2002).
[CrossRef]

Tong, L.

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

Tong, L. M.

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Wang, D. N.

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[CrossRef]

Y. L. Hoo, W. Jin, C. Shi, H. L. Ho, D. N. Wang, and S. C. Ruan, Appl. Opt. 42, 3509 (2003).
[CrossRef]

Whitenett, G.

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

Xuan, H.

Ye, Z.

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

Yi, H.

Yoshino, T.

Zhang, W.

Appl. Opt. (2)

Appl. Phys. B (2)

L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
[CrossRef]

S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
[CrossRef]

J. Opt. A (1)

G. Whitenett, G. Stewart, K. Atherton, B. Culshaw, and W. Johnstone, J. Opt. A 5, S140 (2003).
[CrossRef]

Nanotechnology (1)

L. Tong, J. Lou, Z. Ye, G. T. Svacha, and E. Mazur, Nanotechnology 16, 1445 (2005).
[CrossRef]

Nature (1)

L. M. Tong, R. R. Gattass, J. B. Ashcom, S. L. He, J. Y. Lou, M. Y. Shen, I. Maxwell, and E. Mazur, Nature 426, 816 (2003).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (4)

Rev. Sci. Instrum. (2)

A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
[CrossRef]

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]

Sensors (1)

A. Elia, P. M. Lugarà, C. D. Franco, and V. Spagnolo, Sensors 9, 9616 (2009).
[CrossRef]

Sensors Actuators B (2)

G. Stewart, W. Jin, and B. Culshaw, Sensors Actuators B 38, 42 (1997).
[CrossRef]

Y. L. Hoo, W. Jin, H. L. Ho, J. Ju, and D. N. Wang, Sensors Actuators B 105, 183 (2005).
[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 (5)

Fig. 1.
Fig. 1.

Schematic of QE-EPAS with an OMNF.

Fig. 2.
Fig. 2.

Experimental setup: EDFA, erbium-doped fiber amplifier; QTF, quartz tuning fork; Ref cell, open-path cell with 2 cm absorption length; TA, transimpedance amplifier with a feedback resistor Rg=10; DAQ, data acquisition device; f0, resonant frequency of the QTF. Inset, scanning electron micrograph image of the OMNF.

Fig. 3.
Fig. 3.

Normalized second-harmonic output signal for the QE-EPAS system with three different OMNFs.

Fig. 4.
Fig. 4.

Calculated percentage of light power in the evanescent field for OMNF with varying diameters at λ=1532.8nm and measured normalized second-harmonic (2f=32.75kHz) signal for three different fiber tapers.

Fig. 5.
Fig. 5.

Dependence of second-harmonic output on (a) gas concentration for taper 3 for an input power of 8.37 mW and (b) input optical power for taper 2 for a gas concentration of 4.14%.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1. Parameters of Three Different OMNFs and Their Performance in QE-EPAS Experiment

Metrics