Coherent antistokes raman scattering instrument for diagnostics of laser-induced processes

Summary

A nonintrusive diagnostic system is described which permits simultaneous measurement of number density and temperature of small molecules in hostile environments such as photo-chemical reactors where laser induced processes occur. This system is formed by a frequency-doubled Nd:YAG laser which is partially used to excite a broad-band dye laser. The system utilizes a collinear beam arrangement, the signals are detected with an intensified photodiode array after proper filtering and wavelength separation through a 60° prism and a monochromator. Calibration measurements have been performed on small molecules (SiH₄, NH₃, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆) involved in the IR laser-induced photosynthesis of ceramic powders (Si₃N₄ and SiC). The effect of nonresonant background in number density measurements due to carrier gases used in flow reactors has been carefully investigated in cell experiments. The strong temperature dependence of the envelope of the vibrorotational Raman active band detected under rather low resolution is demonstrated in band contour calculations performed on hydrocarbons (C₂H₂ and C₂H₂).

Riassunto

In questo rapporto è descritto un sistema di diagnostiche non intrusive che permette la misura simultanea di concentrazione e temperatura di piccole molecole in un intorno ostile quale quello presente in reattori fotochimici. Il sistema è costituito da un laser a Nd:YaG duplicato in frequenza ed usato in parte per eccitare un laser a colorante a banda larga. Viene impiegata una geometria collineare dei fasci ed il segnale CARS è rivelato con unarray di fotodiodi dopo la separazione dalle radiazioni dei due laser incidenti effettuata mediante vari filtri, un prisma a 60° ed un monocromatore. Sono state effettuate misure di calibrazione relative alla concentrazione di piccole molecole (SiH₄, NH₃, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆) coinvolte nella sintesi di polveri ceramiche (Si₃N₄, SiC) indotta da radiazione laser IR. In esperimenti eseguiti in cella è stato attentamente esaminato l’effetto del fondo non risonante (dovuto al gas di trasporto) sulle misure di concentrazione. Calcoli di profilo di banda eseguiti su idrocarburi (C₂H₆, C₂H₂) hanno mostrato il forte effetto della temperatura sugli spettri CARS.

Резюме

Описывается неразрушающая диагностическая система, которая позволяет одновременно измерять плотность и температуру малых молекул в окружающей среде, такой как фото-химический реактор, где происходят процессы, индуцированные лазером. Эта система образуется с помощью двух-частотного Nd:YAG лазера, который частично используется для возбуждения широкозонного лазера на красителе. Эта система использует коллинеарное расположение пучков, сигналы детектируются с помощью фотодиодной линейки после надлежащей фильтрации и разделений длин волн с помощью 60° призмы и монохромтора. Проведены калибровочные измерения на малых молекулах (SiH₄, NH₃, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆), участвующих в фотосинтезе керамическиш порошков (Si₃N₄ и SiC), индуцированном инфракрасным лазером. При проведении экспериментов внимательно исследуется влияние нерезонансного фона при измерении плотности, обусловленного газами-носителями, используемыми в реакторах. Отмечается сильная температурная зависимость огибающей колебательно-вращательной рамановской активной зоны, обнаруженной при довольно низком разрешении, при вычислениях эон, выполненных на углеводородаш (C₂H₆ и C₂H₂).