Abstract

A sensitive spectroscopic sensor based on a hollow-core fiber-coupled quantum cascade laser (QCL) emitting at 10.54 μm and quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) technique is reported. The design and realization of mid-IR fiber and coupler optics has ensured single-mode QCL beam delivery to the QEPAS sensor. The collimation optics was designed to produce a laser beam of significantly reduced beam size and waist so as to prevent illumination of the quartz tuning fork and microresonator tubes. SF6 was selected as the target gas. A minimum detection sensitivity of 50 parts per trillion in 1 s was achieved with a QCL power of 18 mW, corresponding to a normalized noise-equivalent absorption of 2.7×1010W·cm1/Hz1/2.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
    [CrossRef]
  2. R. Lewicki, G. Wysocki, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Opt. Express 15, 7357 (2007).
    [CrossRef]
  3. R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
    [CrossRef]
  4. A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
    [CrossRef]
  5. A. A. Kosterev, F. K. Tittel, D. V. Serebryakov, A. L. Malinovsky, and I. V. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 043105 (2005).
    [CrossRef]
  6. C. Bauer, U. Willer, and W. Schade, Opt. Eng. 49, 111126 (2010).
    [CrossRef]
  7. L. Dong, V. Spagnolo, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Opt. Express 19, 24037 (2011).
    [CrossRef]
  8. L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
    [CrossRef]
  9. S. Schilt, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009).
    [CrossRef]
  10. L. Dong, A. A. Kosterev, D. Thomazy, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 627 (2010).
    [CrossRef]
  11. Inventory of U. S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990/2008, U. S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., USA, April 2010.
  12. E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
    [CrossRef]
  13. V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
    [CrossRef]
  14. J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
    [CrossRef]
  15. Under these conditions the modulation width results 0.07  cm−1 and the physical parameters of the QTF are Q=22200; R=54.7  kΩ; f0=32762.6  Hz.
  16. P. Werle, Appl. Phys. B 102, 313 (2011).
    [CrossRef]

2012 (1)

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

2011 (3)

L. Dong, V. Spagnolo, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Opt. Express 19, 24037 (2011).
[CrossRef]

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

P. Werle, Appl. Phys. B 102, 313 (2011).
[CrossRef]

2010 (5)

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

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

C. Bauer, U. Willer, and W. Schade, Opt. Eng. 49, 111126 (2010).
[CrossRef]

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

2009 (2)

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

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

2007 (1)

2005 (1)

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

2003 (1)

E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
[CrossRef]

Bauer, C.

C. Bauer, U. Willer, and W. Schade, Opt. Eng. 49, 111126 (2010).
[CrossRef]

Bernacki, B. E.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Bledt, C. M.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Buerki, P. R.

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

Cannon, B. D.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Capasso, F.

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

Curl, R. F.

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

Day, T.

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

Dong, L.

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

L. Dong, V. Spagnolo, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Opt. Express 19, 24037 (2011).
[CrossRef]

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

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

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

Doty, J. H.

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

Erikson, R. L.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Gat, N.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Gmachl, C.

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

Harrington, J. A.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Huang, E.

E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
[CrossRef]

Kosterev, A. A.

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

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

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

R. Lewicki, G. Wysocki, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Opt. Express 15, 7357 (2007).
[CrossRef]

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

Kriesel, J. M.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Lewicki, R.

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

L. Dong, V. Spagnolo, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Opt. Express 19, 24037 (2011).
[CrossRef]

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

R. Lewicki, G. Wysocki, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Opt. Express 15, 7357 (2007).
[CrossRef]

Liu, K.

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[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]

McManus, B.

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[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]

Myers, T. L.

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Pusharsky, M.

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

Reed, M.

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

Rowling, D. R.

E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
[CrossRef]

Schade, W.

C. Bauer, U. Willer, and W. Schade, Opt. Eng. 49, 111126 (2010).
[CrossRef]

Schilt, S.

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

Spagnolo, V.

L. Dong, V. Spagnolo, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Opt. Express 19, 24037 (2011).
[CrossRef]

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

Spiesberger, J. L

E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
[CrossRef]

Thomazy, D.

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

Tittel, F. K.

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

L. Dong, V. Spagnolo, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Opt. Express 19, 24037 (2011).
[CrossRef]

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

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

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

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

R. Lewicki, G. Wysocki, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Opt. Express 15, 7357 (2007).
[CrossRef]

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

Weida, M. J.

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

Werle, P.

P. Werle, Appl. Phys. B 102, 313 (2011).
[CrossRef]

Whelan, T.

E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
[CrossRef]

Willer, U.

C. Bauer, U. Willer, and W. Schade, Opt. Eng. 49, 111126 (2010).
[CrossRef]

Wysocki, G.

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

R. Lewicki, G. Wysocki, A. A. Kosterev, and F. K. Tittel, Opt. Express 15, 7357 (2007).
[CrossRef]

Appl. Phys. B (6)

A. A. Kosterev, P. R. Buerki, L. Dong, M. Reed, T. Day, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 173 (2010).
[CrossRef]

L. Dong, R. Lewicki, K. Liu, P. R. Buerki, M. J. Weida, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 107, 275 (2012).
[CrossRef]

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

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

V. Spagnolo, A. A. Kosterev, L. Dong, R. Lewicki, and F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100, 125 (2010).
[CrossRef]

P. Werle, Appl. Phys. B 102, 313 (2011).
[CrossRef]

Chem. Phys. Lett. (1)

R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, and F. K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010).
[CrossRef]

J. Acoust. Soc. Am. (1)

E. Huang, D. R. Rowling, T. Whelan, and J. L Spiesberger, J. Acoust. Soc. Am. 114, 1926 (2003).
[CrossRef]

Opt. Eng. (1)

C. Bauer, U. Willer, and W. Schade, Opt. Eng. 49, 111126 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express (2)

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

R. Lewicki, J. H. Doty, R. F. Curl, F. K. Tittel, and G. Wysocki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12587(2009).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

J. M. Kriesel, N. Gat, B. E. Bernacki, R. L. Erikson, B. D. Cannon, T. L. Myers, C. M. Bledt, and J. A. Harrington, Proc. SPIE 8018, 80180V1 (2011).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

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

Other (2)

Inventory of U. S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990/2008, U. S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C., USA, April 2010.

Under these conditions the modulation width results 0.07  cm−1 and the physical parameters of the QTF are Q=22200; R=54.7  kΩ; f0=32762.6  Hz.

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 (2)

Fig. 1.
Fig. 1.

Schematic of QCL fiber-coupled QEPAS sensor. PZT, piezoelectric translator; QTF, quartz tuning fork; FG, dual channel function generator; and CEU, control electronics unit.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Two-dimensional single mode profile of the EC-QCL beam exiting the hollow fiber, along with the related one-dimensional Gaussian-like profiles. (b) QEPAS spectra measured in a scan mode for a 19 ppb SF 6 : N 2 calibrated gas mixture and for pure N 2 . The noise fluctuations in Fig. 2(b) are 4 mV . (c) QEPAS peak signal as a function of the SF 6 concentration based on a calibration with a gas dilution system. The dashed line represents a linear fit of the data. The small deviations from the linear trend are partially due to uncertainty in the gas mixture concentration ( < 3 ppb ). (d) Allan deviation in parts per trillion (ppt) of the QEPAS signal as a function of the integration time. The rapid decrease from 0.1 to 0.3 s reflects delay and the related oscillations in the feedback loop when balancing the signal of the reference channel at low integration time ( < 0.3 ms ).

Metrics