Applied Physics B

, Volume 100, Issue 3, pp 627–635 | Cite as

QEPAS spectrophones: design, optimization, and performance

  • L. Dong
  • A. A. Kosterev
  • D. Thomazy
  • F. K. Tittel
Article

Abstract

The impact of design parameters of a spectrophone for quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy on its performance was investigated. The microresonator of spectrophone is optimized based on an experimental study. The results show that a 4.4 mm-long tube with 0.6 mm inner diameter yields the highest signal-to-noise ratio, which is ∼30 times higher than that of a bare QTF at gas pressures between 400 and 800 Torr. The optimized configuration demonstrates a normalized noise-equivalent absorption coefficient (1σ) of 3.3×10−9 cm−1W/Hz1/2 for C2H2 detection at atmospheric pressure. The effect of the changing carrier gas composition is studied. A side-by-side sensitivity comparison between QEPAS and conventional photoacoustic spectroscopy technique is reported.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    R.F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A.A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, F.K. Tittel, Chem. Phys. Lett. 487, 1 (2010) CrossRefADSGoogle Scholar
  2. 2.
    M. Troccoli, L. Diehl, D.P. Bour, S.W. Corzine, N. Yu, C.Y. Wang, M.A. Belkin, G. Hofler, R. Lewicki, G. Wysocki, F.K. Tittel, F. Capasso, J. Lightwave Technol. 26, 3534 (2008) CrossRefADSGoogle Scholar
  3. 3.
    A.A. Kosterev, G. Wysocki, Y.A. Bakhirkin, S. So, R. Lewicki, F.K. Tittel, R.F. Curl, Appl. Phys. B 90, 165 (2008) CrossRefADSGoogle Scholar
  4. 4.
    A.A. Kosterev, F.K. Tittel, G. Bearman, in Proceedings of the 2008 Int. Conference on Environmental Systems, Published by SAE as MS 08ICES-0031 (2008) Google Scholar
  5. 5.
    J.S. Pilgrim, J. Kutzner, W.R. Wood, in Proceedings of the 2007 Int. Conference on Environmental Systems, Published by SAE as MS 2007-01-3152 (2007) Google Scholar
  6. 6.
    M.R. McCurdy, Y.A. Bakhirkin, G. Wysocki, R. Lewicki, F.K. Tittel, J. Breath Res. 1, 014001 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  7. 7.
    G. Wysocki, Y.A. Bakhirkin, S. So, F.K. Tittel, C.J. Hill, R.Q. Yang, M.P. Fraser, Appl. Opt. 46, 8202 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  8. 8.
    A.A. Kosterev, F.K. Tittel, D. Serebryakov, A.L. Malinovsky, I. Morozov, Rev. Sci. Instrum. 76, 1 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    A.A. Kosterev, Y.A. Bakhirkin, R.F. Curl, F.K. Tittel, Opt. Lett. 27, 1902 (2002) () CrossRefADSGoogle Scholar
  10. 10.
    J.-M. Friedt, E. Carry, Am. J. Phys. 75, 415 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  11. 11.
    K. Liu, J. Li, L. Wang, T. Tang, W. Zhang, X. Gao, W. Chen, F.K. Tittel, Appl. Phys. B 94, 527 (2009) CrossRefADSGoogle Scholar
  12. 12.
    A.A. Kosterev, Y.A. Bakhirkin, F.K. Tittel, S. McWhorter, B. Ashcraft, Appl. Phys. B 92, 103 (2008) CrossRefADSGoogle Scholar
  13. 13.
    C.W. Van Neste, L.R. Senesac, T. Thundat, Appl. Phys. Lett. 92, 234102 (2008) CrossRefADSGoogle Scholar
  14. 14.
    R. Lewicki, G. Wysocki, A.A. Kosterev, F.K. Tittel, Appl. Phys. B 87, 157 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  15. 15.
    R. Lewicki, G. Wysocki, A.A. Kosterev, F.K. Tittel, Opt. Express 15, 7357 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  16. 16.
    A.K. Ngai, S.T. Persijni, D. Lindsay, A.A. Kosterev, P. Groß, C.J. Lee, C.M. Cristescu, F.K. Tittel, K.J. Boller, F.J. Harren, Appl. Phys. B 89, 123 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  17. 17.
    Y.A. Bakhirkin, A.A. Kosterev, R.F. Curl, F.K. Tittel, D.A. Yarekha, L. Hvozdara, M. Giovannini, J. Faist, Appl. Phys. B 82, 149 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  18. 18.
    A.A. Kosterev, T.S. Moseley, F.K. Tittel, Appl. Phys. B 85, 295 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  19. 19.
    G. Wysocki, A.A. Kosterev, F.K. Tittel, Appl. Phys. B 85, 301 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  20. 20.
    A.A. Kosterev, Y.A. Bakhirkin, F.K. Tittel, Appl. Phys. B 80, 133 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  21. 21.
    A.A. Kosterev, F.K. Tittel, Appl. Opt. 43, 6213 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  22. 22.
    D. Weidmann, A.A. Kosterev, F.K. Tittel, N. Ryan, D. McDonald, Opt. Lett. 29, 1837 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  23. 23.
    A. Miklós, P. Hess, Z. Bozóki, Rev. Sci. Instrum. 72, 1937 (2001) CrossRefADSGoogle Scholar
  24. 24.
    T. Schmid, Anal. Bioanal. Chem. 384, 1071 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    K. Liu, X.Y. Guo, H.M. Yi, W.D. Chen, W.J. Zhang, X.M. Gao, Opt. Lett. 34, 1594 (2009) CrossRefADSGoogle Scholar
  26. 26.
    S. Schilt, A.A. Kosterev, F.K. Tittel, Appl. Phys. B 95, 813 (2009) CrossRefADSGoogle Scholar
  27. 27.
    D.V. Serebryakov, I.V. Morozov, A.A. Kosterev, V.S. Letokhov, Quantum Electron. 40, 167 (2010) CrossRefADSGoogle Scholar
  28. 28.
    N. Petra, J. Zweck, A.A. Kosterev, S. Minkoff, D. Thomazy, Appl. Phys. B 94, 673 (2009) CrossRefADSGoogle Scholar
  29. 29.
    L.S. Rothman, A. Barbe, D.C. Benner, L.R. Brown, C. Camy-Peyret, M.R. Carleer, K. Chance, C. Clerbaux, V. Dana, V.M. Devi, A. Fayt, J.M. Flaud, R.R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, K.W. Jucks, W.J. Lafferty, J.Y. Mandin, S.T. Massie, V. Nemtchinov, D.A. Newnham, A. Perrin, C.P. Rinsland, J. Schroeder, K.M. Smith, M.A.H. Smith, K. Tang, R.A. Toth, J. Vander Auwera, P. Varanasi, K. Yoshino, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 82, 5 (2003) CrossRefADSGoogle Scholar
  30. 30.
    R.D. Grober, J. Acimovic, J. Schuck, D. Hessman, P.J. Kindlemann, J. Hespanha, A.S. Morse, K. Karrai, I. Tiemann, S. Manus, Rev. Sci. Instrum. 71, 2776 (2000) CrossRefADSGoogle Scholar
  31. 31.
    S.L. Firebaugh, F. Roignant, E.A. Terray, in Proceedings Comsol Conf., Boston, October 8–10, 2009 Google Scholar
  32. 32.
    A.A. Kosterev, P. Buerke, L. Dong, M. Reed, T. Day, F.K. Tittel, Appl. Phys. B (2010). doi:10.1007/s00340-010-3975-0 Google Scholar
  33. 33.
    C.-M. Lee, K.V. Bychkov, V.A. Kapitanov, A.I. Karapuzikov, Y.N. Ponomarev, I.V. Sherstov, V.A. Vasiliev, Opt. Eng. 46, 064302 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2010

Authors and Affiliations

  • L. Dong
    • 1
  • A. A. Kosterev
    • 1
  • D. Thomazy
    • 1
  • F. K. Tittel
    • 1
  1. 1.Electrical and Computer Engineering DepartmentRice UniversityHoustonUSA

Personalised recommendations