Development of laser spectroscopy for scattering media applications

Abstract: Popular Abstract in Swedish I Nationalencyklopedin står det att spektroskopi är en metod för att studera molekyler, atomer och atomkärnor med hjälp av dess spektra. Man använder både elektromagnetisk strålning och partikelstrålning inom spektroskopin. Spektroskopi används inom astronomi, kemi, fysik och medicin. Ordet spektroskopi kommer ifrån latinet och betyder att titta vilket förklaras av att historiskt sett så använde man endast synligt ljus för att studera gaser, vätskor och fast kroppar. Alla ting absorberar och sprider elektromagnetisk strålning olika vilket förklarar varför bladet är grönt, varför himlen är blå osv. när de belyses av solljus. Solljuset innehåller som bekant alla regnbågens färger. Samma sak gäller gaser som absorberar ljus med färgfördelning som är beroende på typ av gas, tryck, temperatur osv. Man brukar säga att en gas har ett fingeravtryck vilket nyttjas inom laserbaserad spektroskopi där lasern ställs in, likt en radiosändare, på den våglängd hos gasen som man vill mäta på. I denna avhandling används uteslutande laserbaserad spektroskopi för att studera koncentrationen av gaser i atmosfären och i fasta material som frukt, trä, växter och mänsklig vävnad. Syftet med avhandlingen är att utveckla och använda laserbaserade metoder för att mäta gaser i atmosfären och i fasta kroppar. Avhandlingen beskriver ett antal projekt där metoder används och utvecklas successivt. Det finns också beskrivet projekt som beskriver mätningar av fluorescens hos organiska växter och byggnader. För att mäta gaser i atmosfären används en optisk radar där sändaren består av en kraftig laser som skickar ut korta ljuspulser i atmosfären. Teknikens utveckling påbörjades på 1960-talet och kallas för lidar (light detection and ranging). En liten del av ljuset reflekteras i atmosfären av små partiklar (aerosoler) och når ett teleskop där ljuset samplas in. Denna effekt kan även ses om man går ut en mörk kväll och lyser rakt upp med en ficklampa. Man kan då se ljuskäglan eftersom små partiklar i luften reflekterar ljuset tillbaka. Genom att växelvis skicka ut ljus som absorberas och som inte absorberas av aktuell gas kan koncentrationen av gaser som t.ex. ozon, svaveldioxid och kvicksilver mätas. Det är en utrustning som, om den placeras i ett flygplan, kan användas för att mäta på ozonhålet vid Nordpolen. Exempel på projekt som beskrivs är mätningar i Spanien där koncentrationen av kvicksilver vid en kvicksilvergruva studerades och mätning av svaveldioxidutsläpp vid ett pappersbruk i Nymölla, Sverige. I avhandlingen beskrivs även en ny metod för mätning av gaser i fasta och spridande material som växter, frukt, trä och mänsklig vävnad. Metoden kallas för GASMAS (Gas in Scattering Media Absorption Spectroscopy) och forskningen initierades 2001 på avdelning för atomfysik på Lunds Universitet. Principen bygger på att laserljus skickas in i ett fast spridande material samtidigt som laserljuset sveps över den våglängd där den aktuella gasen absorberar ljus. Förloppet kan liknas med hur en operasångare testar sin röst genom att sjunga kontinuerliga skalor. En optisk detektor samlar in ljuset efter det har skramlat runt i provet. När laserljusets våglängd sammanträffar med gasens fingeravtryck dämpas ljuset något mer vilket är precis vad vi mäter; desto mer gas desto mer dämpning. Observera att det rör sig om mycket små förändringar av ljusstyrkan när en absorptionstopp passeras. Vi talar om en liten förändring på en del av 100000. Alltså krävs det att utrustningen är känslig. Det som ytterst begränsar metoden är hur bra ljuset tränger in i det fasta materialet. Med hjälp av GASMAS-tekniken har vi bl.a. undersökt farmaceutiska tabletter och bihålor i kind- och pannben. GASMAS-tekniken gör det möjligt att studera gasinnehållet i fasta material utan ingrepp vilket är att föredra. Under arbetets gång har mycket tid och kraft ägnats åt att förbättra GASMAS-metoden ur teknisk synvinkel. Då det mesta av ljuset sprids och dämpas är det endast en bråkdel som når den optiska detektorn, kanske en del på 1000. Samtidigt ska en liten absorptionssignal på en del på 100000 detekteras vilket ökar utmaningen ytterligare. Avhandlingen beskriver de tekniska metoder som har använts för att nå dessa mål.

  CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)