Abstract

Coherent microwave Rayleigh scattering (Radar) from resonance-enhanced multiphoton ionization (REMPI) was demonstrated to directly and nonintrusively measure singlet delta oxygen, O2(a1Δg), with high spatial resolution. Two different approaches, photodissociation of ozone and microwave discharge plasma in an argon and oxygen flow, were utilized for O2(a1Δg) generation. The d1Πga1Δg (3-0) and d1Πga1Δg (1-0) bands of O2(a1Δg) were detected by Radar REMPI for two different flow conditions. Quantitative absorption measurements using sensitive off-axis integrated cavity output spectroscopy (ICOS) was used simultaneously to evaluate the accuracy and sensitivity of the Radar REMPI technique. The detection limit of Radar REMPI was found to be comparable to the ICOS technique with a detection threshold of approximately 1014molecules/cm3 but with a spatial resolution that was 8 orders of magnitude smaller than the ICOS technique.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. C. Schweitzer and R. Schmidt, Chem. Rev. 103, 1685 (2003).
    [CrossRef]
  2. S. J. Arnold, N. Finlayso, and E. A. Ogryzlo, J. Chem. Phys. 44, 2529 (1966).
    [CrossRef]
  3. J. R. Hurst, J. D. Mcdonald, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 104, 2065 (1982).
    [CrossRef]
  4. V. T. Gylys and L. F. Rubin, Appl. Opt. 37, 1026 (1998).
    [CrossRef]
  5. V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
    [CrossRef]
  6. S. Williams, M. Gupta, T. Owano, D. Baer, A. O’Keefe, D. R. Yarkony, and S. Matsika, Opt. Lett. 29, 1066 (2004).
    [CrossRef]
  7. J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
    [CrossRef]
  8. K. Kohsehoinghaus, Prog. Energy Combust. Sci. 20, 203 (1994).
    [CrossRef]
  9. Z. Zhang, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. Lett. 98, 265005 (2007).
    [CrossRef]
  10. R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
    [CrossRef]
  11. Y. Wu, A. Bottom, Z. Zhang, T. M. Ombrello, and V. R. Katta, Opt. Express 19, 23997 (2011).
    [CrossRef]
  12. Y. Wu, Z. Zhang, and S. F. Adams, Chem. Phys. Lett. 513, 191 (2011).
    [CrossRef]
  13. Y. Wu, J. Sawyer, Z. Zhang, and S. F. Adams, Appl. Opt. 51, 6864 (2012).
    [CrossRef]
  14. T. Ombrello, S. H. Won, Y. G. Ju, and S. Williams, Combust. Flame 157, 1916 (2010).
    [CrossRef]

2012 (1)

2011 (2)

2010 (1)

T. Ombrello, S. H. Won, Y. G. Ju, and S. Williams, Combust. Flame 157, 1916 (2010).
[CrossRef]

2007 (2)

Z. Zhang, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. Lett. 98, 265005 (2007).
[CrossRef]

R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
[CrossRef]

2004 (1)

2003 (2)

C. Schweitzer and R. Schmidt, Chem. Rev. 103, 1685 (2003).
[CrossRef]

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

2001 (1)

V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
[CrossRef]

1998 (1)

1994 (1)

K. Kohsehoinghaus, Prog. Energy Combust. Sci. 20, 203 (1994).
[CrossRef]

1982 (1)

J. R. Hurst, J. D. Mcdonald, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 104, 2065 (1982).
[CrossRef]

1966 (1)

S. J. Arnold, N. Finlayso, and E. A. Ogryzlo, J. Chem. Phys. 44, 2529 (1966).
[CrossRef]

Adams, S. F.

Y. Wu, J. Sawyer, Z. Zhang, and S. F. Adams, Appl. Opt. 51, 6864 (2012).
[CrossRef]

Y. Wu, Z. Zhang, and S. F. Adams, Chem. Phys. Lett. 513, 191 (2011).
[CrossRef]

Arnold, S. J.

S. J. Arnold, N. Finlayso, and E. A. Ogryzlo, J. Chem. Phys. 44, 2529 (1966).
[CrossRef]

Baer, D.

Bottom, A.

Copeland, R. A.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Finlayso, N.

S. J. Arnold, N. Finlayso, and E. A. Ogryzlo, J. Chem. Phys. 44, 2529 (1966).
[CrossRef]

Frolov, M. P.

V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
[CrossRef]

Gibson, S. T.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Ginter, M. L.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Gupta, M.

Gylys, V. T.

Hurst, J. R.

J. R. Hurst, J. D. Mcdonald, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 104, 2065 (1982).
[CrossRef]

Hwang, E. S.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Ju, Y. G.

T. Ombrello, S. H. Won, Y. G. Ju, and S. Williams, Combust. Flame 157, 1916 (2010).
[CrossRef]

Katta, V. R.

Kohsehoinghaus, K.

K. Kohsehoinghaus, Prog. Energy Combust. Sci. 20, 203 (1994).
[CrossRef]

Lewis, B. R.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Matsika, S.

Mcdonald, J. D.

J. R. Hurst, J. D. Mcdonald, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 104, 2065 (1982).
[CrossRef]

Miles, R. B.

R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
[CrossRef]

Z. Zhang, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. Lett. 98, 265005 (2007).
[CrossRef]

Morrill, J. S.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

O’Keefe, A.

Ogryzlo, E. A.

S. J. Arnold, N. Finlayso, and E. A. Ogryzlo, J. Chem. Phys. 44, 2529 (1966).
[CrossRef]

Ombrello, T.

T. Ombrello, S. H. Won, Y. G. Ju, and S. Williams, Combust. Flame 157, 1916 (2010).
[CrossRef]

Ombrello, T. M.

Owano, T.

Pazyuk, V. S.

V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
[CrossRef]

Raspopov, N. A.

V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
[CrossRef]

Rubin, L. F.

Sawyer, J.

Schmidt, R.

C. Schweitzer and R. Schmidt, Chem. Rev. 103, 1685 (2003).
[CrossRef]

Schuster, G. B.

J. R. Hurst, J. D. Mcdonald, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 104, 2065 (1982).
[CrossRef]

Schweitzer, C.

C. Schweitzer and R. Schmidt, Chem. Rev. 103, 1685 (2003).
[CrossRef]

Shneider, M. N.

R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
[CrossRef]

Z. Zhang, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. Lett. 98, 265005 (2007).
[CrossRef]

Slanger, T. G.

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Williams, S.

Won, S. H.

T. Ombrello, S. H. Won, Y. G. Ju, and S. Williams, Combust. Flame 157, 1916 (2010).
[CrossRef]

Wu, Y.

Yarkony, D. R.

Yu, P. P. k.

V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
[CrossRef]

Zaidi, S. H.

R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
[CrossRef]

Zhang, Z.

Y. Wu, J. Sawyer, Z. Zhang, and S. F. Adams, Appl. Opt. 51, 6864 (2012).
[CrossRef]

Y. Wu, Z. Zhang, and S. F. Adams, Chem. Phys. Lett. 513, 191 (2011).
[CrossRef]

Y. Wu, A. Bottom, Z. Zhang, T. M. Ombrello, and V. R. Katta, Opt. Express 19, 23997 (2011).
[CrossRef]

R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
[CrossRef]

Z. Zhang, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. Lett. 98, 265005 (2007).
[CrossRef]

AIAA J. (1)

R. B. Miles, Z. Zhang, S. H. Zaidi, and M. N. Shneider, AIAA J. 45, 513 (2007).
[CrossRef]

Appl. Opt. (2)

Chem. Phys. Lett. (1)

Y. Wu, Z. Zhang, and S. F. Adams, Chem. Phys. Lett. 513, 191 (2011).
[CrossRef]

Chem. Rev. (1)

C. Schweitzer and R. Schmidt, Chem. Rev. 103, 1685 (2003).
[CrossRef]

Combust. Flame (1)

T. Ombrello, S. H. Won, Y. G. Ju, and S. Williams, Combust. Flame 157, 1916 (2010).
[CrossRef]

J. Am. Chem. Soc. (1)

J. R. Hurst, J. D. Mcdonald, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 104, 2065 (1982).
[CrossRef]

J. Chem. Phys. (1)

S. J. Arnold, N. Finlayso, and E. A. Ogryzlo, J. Chem. Phys. 44, 2529 (1966).
[CrossRef]

J. Mol. Spectrosc. (1)

J. S. Morrill, M. L. Ginter, E. S. Hwang, T. G. Slanger, R. A. Copeland, B. R. Lewis, and S. T. Gibson, J. Mol. Spectrosc. 219, 200 (2003).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. Lett. (1)

Z. Zhang, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. Lett. 98, 265005 (2007).
[CrossRef]

Prog. Energy Combust. Sci. (1)

K. Kohsehoinghaus, Prog. Energy Combust. Sci. 20, 203 (1994).
[CrossRef]

Quantum Electron. (1)

V. S. Pazyuk, P. P. k. Yu, N. A. Raspopov, and M. P. Frolov, Quantum Electron. 31, 363 (2001).
[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.

Experimental setup of Radar REMPI and ICOS for detection of singlet delta oxygen O2(a1Δg). M I, M II are reflective mirrors and MDS is microwave detection system.

Fig. 2.
Fig. 2.

Radar REMPI of singlet delta oxygen of d1Πga1Δg (3-0) band by photodissociation of O3 and subsequent REMPI of O2(a1Δg). Red line: current spectrum at room temperature, black line: reference spectrum at dry ice temperature [7].

Fig. 3.
Fig. 3.

Original signals of Radar REMPI of singlet delta oxygen of d1Πga1Δg (1-0) band in the plasma flowing system with different pressures. The absolute concentration of O2(a1Δg) were measured by ICOS.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1. Values of SNR of the Spectra in Two Cells with Different Pressures (17 and 25 Torr with Different Number Densities)

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

EMWNe=N0·Td,a2I2·Td,iI·exp(EakBT),

Metrics