Implementation and characterization of a thermal infrared laser heterodyne radiometer based on a wavelength modulated local oscillator laser

This article presents the first implementation and the experimental characterization of a thermal infrared wavelength modulation laser heterodyne radiometer (WM-LHR) based on an external cavity quantum cascade laser. This novel WM-LHR system has demonstrated calibration-free operation, a superior signal to noise ratio and, more importantly, has opened the door for cost-efficient wide spectral range laser heterodyne radiometry in the near future.The work by P.M.-M. has been performed in the frame of the "Estancias de movilidad José Castillejo" from the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports. P.M.-M. would also like to thank the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness for supporting the project under the TEC2017-86271-R Grant. A.G., H. M. and B.L. acknowledge financial support received from the Austrian Research Promotion Agency FFG within the project 861581 (ATMOSENSE) of the ERA-NET Photonics program

Eine neue Methode zur Überwachung von Clean-in-Place Prozessen basierend auf Quantenkaskadenlaser

Zusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersIn dieser Arbeit wird ein neues Messprinzip zur Beobachtung von Reinigungsprozessen von Rührkesseln in der pharmazeutischen Industrie vorgestellt. Während bisher erst am Ende des Reinigungsprozesses der gesamte organische Kohlenstoffgehalt der Reinigungsflüssigkeit bestimmt wird, kann ein Äquivalenzwert durch den Einsatz der Infrarotspektroskopie nahezu kontinuierlich gemessen werden und folglich der gesamte Reinigungsprozess optimiert werden. Bei diesem Sensor wird ein Quantenkaskaden Laser mit externer Kavität im Bereich zwischen 1030-1230 cm-1 als Lichtquelle eingesetzt. Das Prozesswasser wird über ein Fließ-Injektionssystem in eine CaF2 Flusszelle mit 165 -m Schichtdicke injeziert und das transmittierte Licht mit einem MCT-Detektor gemessen. Die Performance und Anwendbarkeit dieses Sensors wird anhand eines Laborreaktors, einer industrie-nahen Anlage an der Technischen Universität Wien sowie bei einem Kooperationspartner (CMC Biologics, Kopenhagen) gezeigt. Um ressourcenschonend zu Arbeiten werden anstatt zeitaufwändiger Fermentationen zwei typische Kohlenstoffquellen, nämlich Glycerol und Xanthan, als Kontaminationen eingesetzt. Weiters wird die Herstellung von oberflächen-emittierenden Quantenkaskadenlasern mit ringförmiger Kavität im Bereich 1470-1530 cm-1 gezeigt, um in Zukunft auch die Absorption von Proteinen im Prozesswasser bestimmen zu können.This thesis introduces a new measurement principle to monitor cleaning processes of stirrer vessels in the pharmaceutical industry. Until now, the cleanliness of a vessel is evaluated by quantifying the total organic carbon of the cleaning liquid at the end of the cleaning sequence. With infrared spectroscopy, in contrast, it is possible to monitor the cleaning liquid continuously, allowing to shorten the cleaning process. The sensor is based on an external quantum cascade laser emitting radiation in the range of 1030-1230 cm-1. Samples from the process stream are continuously injected into a 165 -m flow cell whereas the windows are made out of CaF2. Finally, the transmitted radiation is quantified by an MCT-detector. The performance and applicability of the sensor are evaluated at a laboratory vessel, an industrial-scale plant at the Vienna University of Technology as well as at a co-operation partner (CMC Biologics, Copenhagen). In order to save resources and time consuming fermentations, two typical carbon sources, namely glycerol and xanthan gum, are used as contamination substances. Moreover, the manufacturing process of ring cavity surface emitting lasers in the wavelength range of 1470-1530 cm-1 is shown. Its intention is to quantify proteins in the process stream in the future as well.9

A Quantum cascade laser-based sensor for ambient air monitoring

Kumulative Dissertation aus fünt ArtikelnMeasuring the ambient air quality is essential to guarantee a save and healthy environment for the people living there. The pollutants and their maximum allowed concentration levels are regulated by the national governments and they are usually in accordance with the guidelines published by the World Health Organization. It is the task of local air quality networks and national departments to install suitable sensors at representative locations and to monitor the pollution caused by traffic, power plants and other anthropogenic sources. The equipment is often placed in mobile laboratories, cargo containers or local governmental buildings and each target analyte requires its dedicated hardware. With the demand to reduce the size and operating costs, novel measurement concepts are evaluated to replace the highly optimized and specialized reference hardware. A promising technology is infrared spectroscopy, as all gaseous pollutants and greenhouse gases absorb within this spectral range of the electromagnetic spectrum. Subsequently, it is possible to combine the quantification of multiple gases in a single multi-analyzer unit and reduce the overall dimensions of the analytical devices. The aim of this thesis was to build a prototype that is capable to quantify the pollutants CO, NO, NO2 and SO2 in the ambient air. This has been achieved by combining commercially available Quantum Cascade Lasers, a multi-pass gas cell with 76m optical path length and off-the-shelf infrared-detectors. To ensure optimum performance in the single-digit ppbv-range, the 2f-Wavelength Modulation Spectroscopy has been employed to quantify the analytes of interest.As CO can easily reach concentrations in the single-digit ppmv-region, a technique that can cover a significantly higher linear range has been installed in the prototype as well. Heterodyne Phase Sensitive Dispersion Spectroscopy can easily be integrated into an existing 2f-Wavelength Modulation Spectroscopy-based setup and, again, only off-the-shelf components were used. While direct absorption based techniques rely on sensing the amplitude of the transmitted light, this one quantifies the concentration with a dispersion based technique. In particular, an optical three-tone-signal, emitted by the laser, is used to probe the dispersion, induced by the absorption line of the analyte. The consequence is a more robust signal generation, especially at higher concentration levels. Finally, the applicability of this prototype has been evaluated in the field during two measurement campaigns. The first one was located in Szombathely (HU), in vicinity to a wood-processing factory, and the performance has been investigated for ten days. Due to the development progress of the prototype, only CO, NO and NO2 have been investigated with 2f-Wavelength Modulation Spectroscopy. The second campaign took place in Vienna (AT), next to a busy road, and the same analytes have been monitored for five weeks. In addition, CO has been quantified with a dispersion-based technique for 42 hours to prove its application in ambient air monitoring.Das Bestimmen und Messen von Schadstoffen in der Luft liefert einen wesentlichen Beitrag, um den Menschen sichere und gesunde Lebensbedingungen zu garantieren. Die erlaubten Grenzwerte der jeweiligen Stoffe sind in nationalen Gesetzen geregelt und orientieren sich an den Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation. Es ist die Aufgabe nationaler Luftmessnetzwerke und den zuständigen Behörden, repräsentative Standorte auszuwählen und Immissionsmessungen durchzuführen. Die dazu verwendeten Geräte sind meistens für einen einzelnen Analyten optimiert, und deren nicht zu unterschätzenden Abmessungen erfordern eine Installation in umgebauten Kastenwägen, Transport-Containern oder dedizierten Labors in Amtsgebäuden. Obwohl es für sämtliche Schadstoffe bereits hochpräzise Referenzmessgeräte gibt, verhindern vor allem deren Anschaffungskosten und Abmessungen den Aufbau dichter Messnetzwerke. Dieses Problem könnte in Zukunft mit dem Einsatz von Infrarotspektroskopie gelöst werden, da alle zu erfassenden gasförmigen Schadstoffe charakteristische Absorptionslinien in diesem Wellenlängenbereich aufweisen. Folglich könnten mehrere Gase mit einem einzigen Messgerät quantifiziert und so die Installations- und Betriebskosten gesenkt werden. Um die Technologie für kompakte Multi-Gas-Analysatoren weiter voranzutreiben, wurde in dieser Arbeit ein Prototyp, mit dem die Schadstoffe CO, NO, NO2 und SO2 in der Umgebungsluft gemessen werden können, entwickelt. Dieser besteht aus vier Quantenkaskadenlaser, einer Gasmesszelle mit 76m optischer Weglänge und zwei Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektoren, wobei bei der Wahl der einzelnen Komponenten auf deren kommerzielle Verfügbarkeit geachtet wurde. Damit die Schadstoffe auch im niedrigen ppbv-Bereich gemessen werden können, basiert der Prototyp auf der 2f-Wellenlängenmodulationsspektroskopie. Weil die CO-Konzentration aber auch sehr leicht Werte den einstelligen ppmv-Bereich erreichen kann, wurde zusätzlich eine Technik mit deutlich höheren linearen Bereich installiert. Die heterodyne phasen-sensitive Dispersionsspektroskopie kann sehr einfach in einem für 2f-Wellenlängenspektroskopie gedachten Versuchsaufbau mit Standardkomponenten integriert werden. Während direkte auf Absorption basierende Techniken durch die starke Signalabschwächung des Analyten limitiert sind, wird bei dieser die wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zur Konzentrationsbestimmung herangezogen. Dazu wird der Laser im Megahertz-Bereich moduliert, um zwei weitere Wellenlängen zu erzeugen (optische Seitenbänder). Diese interagieren anschließend mit dem Analyten und ergeben am Detektor ein charakteristisches Schwebungssignal. Obwohl dessen Amplitude durch die starke Absorption verrauscht ist, lässt sich die Phasenlage, und somit die Konzentration, präzise messen. Die Anwendbarkeit des Prototyps wurde während zweier Messkampagnen gezeigt, wobei die erste in Szombatheley (Ungarn), in der Nähe eines holzverarbeitenden Fabrik durchgeführt wurde und zehn Tage dauerte. Aufgrund des damaligen Enwicklungsstands konnten nur die Analyten CO, NO und NO2 mit der 2f-Wellenlängenmodulationsspektroskopie gemessen werden. Für die zweite Feldmessung wurde der Prototyp nahe einer stark befahrenen Straße in Wien aufgestellt und erneut die Schadstoffe CO, NO und NO2 quantifiziert. Zusätzlich wurde die CO-Konzentration für 42 Stunden mit der Dispersions-basierten Messtechnik bestimmt und dessen Tauglichkeit für Umweltmessungen gezeigt.20

A Quantum Cascade Laser-Based Multi-Gas Sensor for Ambient Air Monitoring

A quantum cascade laser-based sensor for ambient air monitoring is presented and five gases, affecting the air quality, can be quantified. The light sources are selected to measure CO, NO, NO2, N2O and SO2. The footprint of the measurement setup is designed to fit in two standard 19” rack (48 cm × 65 cm) with 4 height units (18 cm) whereas one is holding the optical components and the other one contains the electronics and data processing unit. The concentrations of the individual analytes are measured using 2f-Wavelength Modulation Spectroscopy (2f-WMS) and a commercially available multipass gas cell defines the optical path. In addition, CO can also be measured with a dispersion-based technique, which allows one to cover a wider concentration range than 2f-WMS. The performance of this prototype has been evaluated in the lab and detection limits in the range of 1ppbv have been achieved. Finally, the applicability of this prototype for ambient air monitoring is shown in a five-week measurement campaign in cooperation with the Municipal Department for Environmental Protection (MA 22) of Vienna, Austria

On-line monitoring of methanol and methyl formate in the exhaust gas of an industrial formaldehyde production plant by a mid-IR gas sensor based on tunable Fabry-Pérot filter technology

On-line monitoring of key chemicals in an industrial production plant ensures economic operation, guarantees the desired product quality, and provides additional in-depth information on the involved chemical processes. For that purpose, rapid, rugged, and flexible measurement systems at reasonable cost are required. Here, we present the application of a flexible mid-IR filtometer for industrial gas sensing. The developed prototype consists of a modulated thermal infrared source, a temperature-controlled gas cell for absorption measurement and an integrated device consisting of a Fabry-Pérot interferometer and a pyroelectric mid-IR detector. The prototype was calibrated in the research laboratory at TU Wien for measuring methanol and methyl formate in the concentration ranges from 660 to 4390 and 747 to 4610 ppmV. Subsequently, the prototype was transferred and installed at the project partner Metadynea Austria GmbH and linked to their Process Control System via a dedicated micro-controller and used for on-line monitoring of the process off-gas. Up to five process streams were sequentially monitored in a fully automated manner. The obtained readings for methanol and methyl formate concentrations provided useful information on the efficiency and correct functioning of the process plant. Of special interest for industry is the now added capability to monitor the start-up phase and process irregularities with high time resolution (5 s).Austrian research funding association (FFG) COMET753761