Tunable diode laser absorption spectroscopy for oxygen detection

The evolution of diode laser sources for optical communications during the last years led to commercial availability of devices which are suitable for gas absorption spectroscopy in the near and mid infrared. In this work it is shown how the traditional limits of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy are addressed with digital signal processing techniques and careful optical design towards the realization of gas sensing instruments with the stability, robustness and reliability that are required in an industrial environment. Being one of the most challenging gases to be sensed with this technique, oxygen was considered under many measurement aspects such as: • Non invasive monitoring; • Gas in scattering media sensing; • Sensing with back-scattering targets; • Pressure measurement techniques for weak absorption signals; • Time resolved, dynamic sensing; • Temperature measurement through absorption spectroscopy. Many of these aspects were considered together, leading to the developement of instruments tailored for real life industrial applications such as: • Oxygen sensing in partially transparent containers such as wine or soft drink bottles; • Monitoring of double glazing insulating glass gas filling machines; • Oxygen sensing in containers with backscattering targets such as food packagings. Other applications for the technique and experiments involving Gas in Scattering Media Absorption Spectroscopy were explored during a 6 months period at the Lunds Universitet - Lunds Tekniska Högskola - Atomfysik (Sweden) under the supervision of Prof. S. Svanberg: • Gas probing into porous fruit samples; • Gas sensing inside the human body as a medical diagnosis technique; • Oxygen measurement in fully scattering food containers; • Multi-line absorption spectroscopy as a temperature measurement.

L’evoluzione delle sorgenti laser a diodo per le comunicazioni ottiche negli ultimi anni ha portato ad una disponibilità commerciale di dispositivi che si prestano alla spettroscopia di assorbimento di gas nel vicino e medio infrarosso. In questo lavoro si mostra come i limiti tradizionali della spettroscopia di assorbimento a diodi laser sintonizzabili vengano affrontati con tecniche di elaborazione numerica di segnali ed una attenta progettazione ottica rivolta alla realizzazione di strumenti per il rilevamento di gas caratterizzati dalla stabilità, robustezza ed affidabilità necessari per un ambiente industriale. Trattandosi di uno dei gas più critici per il rilevamento con questa tecnica, l’ossigeno è stato affrontato sotto molteplici aspetti di misura come: • Monitoraggio non invasivo; • Rilevazione di gas in mezzi diffondenti; • Rilevazione tramite bersagli retrodiffondenti; • Tecniche di misura di pressione per deboli segnali di assorbimento; • Rilevazione dinamica con risoluzione temporale; • Misure di temperatura attraverso spettroscopia di assorbimento. Molti di questi aspetti sono stati considerati simultaneamente portando allo sviluppo di strumenti appropriati ad un uso nel mondo reale in applicazioni industriali quali: • Rilevazione di ossigeno in contenitori parzialmente trasparenti come bottiglie di vino e bibite; • Controllo di macchine per il riempimento di pannelli isolanti in vetrocamera; • Rilevazione di ossigeno in contenitori con bersagli retrodiffondenti, quali confezioni alimentari. Altre applicazioni della tecnica ed esperimenti sulla spettroscopia di assorbimento di gas in mezzi porosi sono stati esplorati durante un periodo di 6 mesi presso Lunds Universitet - Lunds Tekniska Högskola - Atomfysik (Svezia) sotto la supervisione del Prof. S. Svanberg: • Analisi di gas in campioni porosi di frutta; • Rilevazione di gas all’interno del corpo umano come tecnica per la diagnostica medica; • Misura di ossigeno in contenitori completamente diffondenti per alimenti; • Spettroscopia di assorbimento multi-riga come misura di temperatura.