Oxygen detection through VIPA spectrometer

The accuracy of long distance measurement based interferometer setups for geodetic surveying and industrial use, are impeded by the accuracy of the refraction index of air. Temperature is the main factor influencing the refractive index as ambient fluctuations are non uniform over the space, over time the temperature can vary by half a degree in the controlled lab environment. It is possible to obtain the temperature through spectroscopy analyzing absorption spectra changes an comparing them to HITRAN online database spectra, with an accuracy that can reach couple of degrees. The goal is having an insight on the air refractive index changes through temperature measurements of air. To do that the measurements are done on the gases composing air like CO2, O2. The spectra are revealed thanks to a VIPA spectrometer that can display the absorption suffered inside a gas cavity from a gas. The measurement consists in two step: first the gas cavity is filled with a reference gas (N2), than evacuated and filled with the gas wanted for absorption. The difference between these two measurements is then processed via software. The wavelength used for CO2 measurements is 1550 nm, the wavelength for O2 is 760 nm. The beams are collinear when propagating inside the cavity. The temperature measurements on CO2 has already been done in the laboratory, the measurements on O2 are the task of this thesis. The setup to detect O2 through spectroscopy was built and, processing the data with MATLAB, the absorption spectrum was extracted. The results still need to be improve before complete temperature measurements, but are a good starting point.

Lo scopo finale del progetto é di poter effettuare misure interferometriche su una lunga distanza in aria, e per fare questo é importante conoscere con buona accuratezza l’indice di rifrazione dell’aria. La temperatura é il fattore principale che influenza l’indice di rifrazione dato che le fluttuazioni ambientali non sono uniformi nello spazio, mentre nel tempo la temperatura puó variare di mezzo grado in un ambiente controllato. É possibile ricavare la temperatura con accuratezza che dell’ordine di pochi gradi con tecniche spettroscopiche: in particolare andando a ricavare le variazioni degli spettri di assorbimento di una molecola e comparandoli successivamente a quelli catalogati all’interno del database online di HITRAN. Lo scopo é ottenere informazioni su come cambia l’indice di rifrazione dell’aria andando ad analizzare alcuni dei gas che lo compongono come CO2 e O2. Gli spettri di assorbimento vengono ottenuti andando a rivelare con uno spettrometro VIPA l’assorbimento che si verifica in una cavitá sigillata, la quale é riempita prima con un gas di riferimento (N2) che non assorbe alla frequenza del laser, poi con il gas di cui si vuole ottenere lo spettro di assorbimento. Le due misure sono poi sottratte e i dati processati. Nel caso di CO2, la lunghezza d’onda del laser utilizzato é 1550 nm, nel caso di O2 é 760 nm. I fasci sono collineari nel tratto in cui si propagano all’interno della cavitá. Per quanto riguarda la CO2 sono state giá condotte misure di temperatura in laboratorio, mentre le misure riguardanti O2 sono l’oggetto di questa tesi. Il setup per rivelare O2 é stato costruito e messo in funzione, acquisendo e i dati ottenuti tramite LABVIEW e processandoli grazie a MATLAB. I risultati necessitano miglioramenti, ma sono un buon punto di partenza per ottenere misure di temperatura con O2.