Wolfgang J. Riedel

Diode laser spectrometer for monitoring up to five atmospheric trace gases in unattended operation

An automated diode laser spectrometer for recording concentrations of trace gases is described. It has been tested for unattended operation in the laboratory and at an atmospheric surveillance station for several months. The sensitivities reached are, e.g., 50 ppt for NO(2) and 300 ppt for NO. In an optical path length of 100 m the lowest extinction measured in unattended operation is ~1.5 x 10(-5) for a measuring time of ~60 s. Recordings of trace gases are shown for urban and rural atmospheric conditions.

MASERATI: A ROCKETBORNE TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROMETER

The MASERATI (middle-atmosphere spectrometric experiment on rockets for analysis of trace-gas influences) instrument is, to our knowledge, the first rocket-borne tunable diode laser absorption spectrometer that was developed for in situ measurements of trace gases in the middle atmosphere. Infrared absorption spectroscopy with lead salt diode lasers is applied to measure water vapor and carbon dioxide in the altitude range from 50 to 90 km and 120 km, respectively. The laser beams are directed into an open multiple-pass absorption setup (total path length 31.7 m) that is mounted on top of a sounding rocket and that is directly exposed to ambient air. The two species are sampled alternately with a sampling time of 7.37 ms, each corresponding to an altitude resolution of approximately 15 m. Frequency-modulation and lock-in techniques are used to achieve high sensitivity. Tests in the laboratory have shown that the instrument is capable of detecting a very small relative absorbance of 10(-4)-10(-5) when integrating spectra for 1 s. The instrument is designed and qualified to resist the mechanical stress occurring during the start of a sounding rocket and to be operational during the cruising phase of the flight when accelerations are very small. Two almost identical versions of the MASERATI instrument were built and were launched on sounding rockets from the Andøya Rocket Range (69 degrees N) in northern Norway on 12 October 1997 and on 31 January 1998. The good technical performance of the instruments during these flights has demonstrated that MASERATI is indeed a new suitable tool to perform rocket-borne in situ measurements in the upper atmosphere.

ZEITLICH HOCHAUFGELOSTE GASANALYTIK: ANWENDUNG DER INFRAROTDIODEN-LASER-SPEKTROSKOPIE AM BEISPIEL VON VERBRENNUNGSPROZESSEN

Infrarotdioden-Laserspektroskopie ermöglicht die Analyse von Gasen im Millisekundenbereich. Ein spektroskopischer Analysator wird beschrieben, mit dem die Konzentrationen von zwei Gasspezies an zwei Probennahmestellen simultan gemessen werden können. Das System wurde für die Messung von NO, CO und CH4 bei einer Reihe europäischer und amerikanischer Automobilhersteller angewandt und erlaubte Motorenentwicklern die schnelle Abgasanalyse an Motorprüfständen. Es war dabei möglich, einzelne Verbrennungszyklen aufzulösen. Hauptanwendungsgebiet dieser Methode ist derzeit das detaillierte Studium der Prozesse in Verbrennungskraftmaschinen, der Test von Verbrennungsmodellen und damit die Feinabstimmung moderner Motormanagementsysteme zur Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission. Sie hat aber auch großes Potential für die Untersuchung anderer schnell ablaufender chemischer Umwandlungen.

Application of infrared fibers in diode laser trace gas analysis

We report on a devoted spectrometer setup for infrared fiber component characterization by lead chalcogenide diode laser radiation under the conditions met in sensitive infrared diode laser gas analyzers. Preliminary results obtained on zirconium fluoride fiber samples indicate, for example, that very low optical feedback levels, as are required in trace gas analysis can be achieved with proper care in fiber end preparation.

Gas analysis with IR-diode laser spectrometers@@@Gasanalyse mit IR-Diodenlaser-Spektrometern

ZusammenfassungEin modular aufgebautes, mikroprozessor-gesteuertes IR-Diodenlaser-Spektrometer wird vorgestellt. Es besteht aus dem Laser-Modul (vibrationsentkoppelter Kühler mit Temperaturregler und Laserstromversorgung), dem Modenfilter, der Meßstrecke und dem Detektor-Modul und der Auswerteelektronik. Für die quantitative Gasanalyse wird die Laserdiode mit periodischen Stromimpulsen derart durchgestimmt, daß der Frequenzbereich der jeweils ausgewählten Spektrallinie während des Impulses durchlaufen wird. Die Bestimmung der Gaskonzentration beruht auf der Messung der Extinktion, integriert über das Profil der betreffenden Absorptionslinie (Integrativspektroskopie). Als Anwendungsbeispiel wird die Messung des atmosphärischen Spurengases Kohlenmonoxid auf einer 50m langen Fernmeßstrecke beschrieben.SummaryAn IR laser diode spectrometer of modular design with micro-processor control is presented. It consists of laser source (vibration decoupled refrigerator with temperature control unit and laser power supply), mode filter, open-path and detector modules, and electronics for the data evaluation. For quantitative gas analysis the diode is tuned by periodic current pulses over the frequency range of a selected spectral line. The determination of the gas concentration is based on the measurement of the extinction of the signal integrated over the absorption line profile (integrative spectroscopy). As an example the measurement of the atmospheric minor constituent carbon monoxide is described for an open path of 50 m.

Gas Analysis with IR-Diode Laser Spectrometers

An IR laser diode spectrometer of modular design with micro-processor control is presented. It consists of laser source (vibration decoupled refrigerator with temperature control unit and laser power supply), mode filter, open-path and detector modules, and electronics for the data evaluation. For quantitative gas analysis the diode is tuned by periodic current pulses over the frequency range of a selected spectral line. The determination of the gas concentration is based on the measurement of the extinction of the signal integrated over the absorption line profile (integrative spectroscopy). As an example the measurement of the atmospheric minor constituent carbon monoxide is described for an open path of 50 m.

Hochdynamische Messung von HC-Konzentrationen

Das Fraunhofer-Institut fur Physikalische Messtechnik IPM hat im Auftrag der Volkswagen AG ein System zur hochdynamischen In-Situ-Gasmessung im Fahrzeugkatalysator entwickelt. Ziel ist es, mehr uber die Nachverbrennung von Kraftstoffresten zu erfahren, die das optimale Funktionieren von Katalysatoren beeintrachtigt.

Langzeit-Aerosolüberwachung mit einem kalibrierfreien, kompensierten Streulichtfotometer (Long Term Monitoring by Means of a Calibration-Free, Compensated Light Scattering Photometer)

Abstract Zur Messung geringer Massenkonzentrationen und der Partikelgrößenverteilung unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie z.B. bei Überwachung des Gasstromes in Druckwirbelschichtfeuerungen oder in Druckkohlestaubfeuerungen vorkommen, wird ein kompensiertes Streulichtfotometer vorgeschlagen. Streulicht- und Transmissionswerte des Partikelkollektivs werden erfasst und miteinander verknüpft. Als Vorteil dieses Mess- und Auswerteprinzips ergibt sich im Gegensatz zu konventionellen Fotometern eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Fenster-Verschmutzung und Alterung von Komponenten. Das neue Konzept ist bis etwa 900 ºC einsatzfähig.

Individual Reports from JETDLAG Contributors

A process for making Buried Heterostructure (BH) lasers was established. Using PbSnSe as active material long wavelength BH-cw-emission at 80 K down to 1026 cm-1 was reached. For shorter wavelengths we employed PbSrSe and obtained BH-cw-emission up to 2860 cm-1 at 80 K. The general outcome of the analysis of laser data gathered within the project is that BH-lasers fulfill part of the needs of spectroscopists. BH-lasers solve some problems (farfield), but this is paid for by low radiation power. A series of laser linewidth measurements was made on different laser structures. BH-lasers generally show larger linewidths than selected Double Heterostructure (DH) lasers. However, BH-lasers turn out to be less sensitive to optical feedback than DH-lasers. The technical project goals were fulfilled. The BMBF decided not to fund further laser development at present. This will put some risk on a future european supply of lasers.