Implementation of continuous filtering frequency comb Vernier spectroscopy for continuous acquisition of spectra in a flame

In this project laser absorption spectroscopy was performed on a flame in a FabryPérot cavity, using an optical frequency comb. Optical frequency comb spectroscopy is a technique that allows broadband ultra-sensitive detection of molecular species in gas phase. Optical frequency combs are generated by femtosecond mode-locked lasers, which generate short pulses and whose spectrum consists of a comb of sharp laser lines covering a broad spectral range. Doing spectroscopy with optical frequency combs can hence be compared to measurements with thousand of synchronised continuous wave lasers simultaneously, which enables broadband sensitive measurements in short acquisition times. A Vernier spectrometer uses the filtering ability of the cavity to allow sequential transmission of parts of the frequency comb spectrum. Its technical simplicity and robustness make it a good candidate for measuring in turbulent environments. The aim of the project was to implement continuous-filtering Vernier spectroscopy in a setup for measuring absorption spectra in air and in a flame. This was done by using an Er:fiber femtosecond laser emitting in the near-infrared wavelength range and a Fabry-Pérot cavity containing the flame. The cavity, which consists of two highly reflective mirrors, lets the light of the comb interact with the molecules in the flame for each of the many round-trips it perform; thus increasing the sensitivity to absorption. An active locking mechanism was implemented to stabilize the coupling of the optical frequency comb to the cavity. The locking allowed multiple measurements to be averaged which reduced noise. A galvanometer scanner was added to the system which was used to measure a broad part of the comb spectrum. Hot water absorption lines were detected in the swept comb spectrum and a candidate absorption peak for OH absorption was recorded. The spectrometer today has opportunities for improvements. A frequency calibration should be implemented which is essential for making estimates of reactant/product concentrations in combustion processes. Populärvetenskaplig Sammanfattning Spektroskopi med optiska frekvenskammar används som ett medel att detektera molekylära ämnen i gasfas med mycket hög känslighet. Optiska frekvenskammar genereras av femtosekund modl̊asta lasrar som ger korta pulser. I frekvensdomän ger detta en kamlik struktur med skarpa linjer över ett brett spektrum. Optisk frekvenskamspektroskopi har ett brett optiskt frekvensomr̊ade med en hög spektral upplösning som gör det möjligt att mäta flera molekylära ämnen samtidigt under kort mättid. Detta kan jämföras med att mäta med flera tusen synkroniserade lasrar samtidigt. Dessa egenskaper gör optiska frekvenskammar eftertraktade inom industriell processkontroll, medicinsk diagnostisering och inom miljövervakning. I detta projekt användes frekvenskamspektroskopi för att mäta absorptionslinjer fr̊an hett vatten och OH i en eldsl̊aga. Tekniken bygger p̊a att f̊anga in nära infrarött ljus fr̊an laserkammen i en resonator best̊aende av tv̊a speglar och en brännare. Speglarna l̊ater ljuset fr̊an kammen interagera med molekylerna i l̊agan över en längre sträcka när ljuset passerat gasen vid varje runda vilket ökar absorptionskänsligheten. En Vernierspektrometer är en tillämpning p̊a frekvenskamsspektroskopi. Den använder sig av resonatorn för att filtrera frekvenskamsspektrumet. Dess tekniskt simpla konstruktion och robusthet gör den lämplig att använda vid turbulenta miljöer. Målet med detta projekt var att återställa en tidigare uppställning av spektrometern samt att utöka med en aktiv l̊asning av lasern till resonatorn med hjälp av reglerteknik. Den nya l̊asningen gjorde det möjligt att mäta flera mätserier och medelvärdesbilda signalen. Ett vridspoleinstrument gjorde det möjligt att vrida ett gitter för att mäta ett bredare spektrum än vad som var tidigare möjligt. Absorptionslinjer av hett vatten samt OH kunde detekteras med spektrometern. Spektrometern har utrymme för förbättringar. Ett nästa steg är att kallibrera frekvensen p̊a det mätta spektrumet vilket är en väsentlig del i att kunna mäta koncentrationen av produkt och reaktanter vid förbränningsprocesser.