HAMAMATSU, Япония, 25 август 2021 г.-Hamamatsu Photonics и Националният институт за напреднали индустриални науки и технологии (AIST) в Токио си сътрудничат по изцяло оптична, преносима система за мониторинг на газ за прогнозиране на вулканични изригвания с висока степен на чувствителност. В допълнение към осигуряването на стабилен, дългосрочен мониторинг на вулканичните газове в близост до вулканични кратери, преносимият анализатор може да се използва и за откриване на течове на токсични газове в химически инсталации и канализации и за атмосферни измервания.

Системата съдържа миниатюрен квантов каскаден лазер (QCL), обхващащ дължината на вълната, разработен от Hamamatsu. С размер около 1/150 от размера на предишните QCL, лазерът е най-малката QCL с дължина на вълната в света. Задвижващата система за системата за мониторинг на газа, разработена от AIST, ще позволи на малкия QCL да бъде монтиран в леки, преносими анализатори, които могат да се носят навсякъде.
Най-малката QCL с дължина на вълната в света е само 1/150-та от размера на предишните QCL с дължина на вълната. С любезното съдействие на Hamamatsu Photonics KK и Организацията за развитие на нова енергия и индустриални технологии (NEDO).
Използвайки технологията на съществуващата микроелектромеханична система (MEMS) на Hamamatsu, разработчиците изцяло преработиха дифракционната решетка MEMS на QCL, намалявайки я до около 1/10 от размера на конвенционалните решетки. Екипът също използва малък магнит, който е подреден, за да намали ненужното пространство, и прецизно сглобява другите компоненти с точност до единици от 0,1 μm. Външните размери на QCL са 13 × 30 × 13 мм (Ш × Д × В).

QCL с дължина на вълната използват MEMS дифракционна решетка, която разпръсква, отразява и излъчва средна инфрачервена светлина, като същевременно бързо измества дължината на вълната. QCL, обхващащ вълните на Hamamatsu, се настройва в диапазона на дължините на вълните от 7 до 8 μm. Този диапазон се абсорбира лесно от газовете SO2 и H2S, които се считат за ранни предсказатели за възможно вулканично изригване.

За да се постигне регулируема дължина на вълната, изследователите са използвали технология за проектиране на устройства, която се основава на квантовия ефект. За светлоизлъчващия слой на QCL елемента те използваха анти-кръстосана конструкция с двойно горно състояние.

Когато QCL с дължина на вълната се комбинира със задвижващата система, разработена от AIST, тя може да постигне скорост на размахване по дължина на вълната, която придобива непрекъснат средно-инфрачервен светлинен спектър в рамките на 20 ms. Високоскоростното придобиване на спектъра от QCL ще улесни анализа на преходни явления, които се променят бързо с течение на времето. Спектралната разделителна способност на QCL е около 15 nm, а максималната му максимална мощност е приблизително 150 mW.

В момента повечето анализатори, използвани за откриване и измерване на вулканични газове в реално време, имат електрохимични сензори. Електродите в тези сензори - и работата на анализатора - се влошават бързо поради постоянното излагане на токсичен газ. Изцяло оптичните газови анализатори използват източник на светлина с дълъг живот и изискват по-малко поддръжка, но оптичният източник на светлина може да заема много място. Размерите на тези анализатори затрудняват инсталирането им близо до вулканични кратери.

Следващото поколение система за мониторинг на вулканични газове, оборудвана с малката QCL, обхващаща дължината на вълната, ще предостави на вулканолозите изцяло оптичен, компактен, преносим блок, който има висока чувствителност и лесна поддръжка. Изследователите от Hamamatsu и техните колеги от AIST и Организацията за развитие на новата енергия и индустриални технологии (NEDO), които подкрепиха проекта, ще продължат да проучват начини за увеличаване на чувствителността на анализатора и намаляване на поддръжката.

Екипът планира многоточково наблюдение, за да тества и демонстрира преносимия анализатор. Продуктите, които използват QCL с дължина на вълната и задвижващи вериги заедно с фотодетектори Hamamatsu, се планират за пускане през 2022 г.