HAMAMATSU, Japan, 25. august 2021-Hamamatsu Photonics og National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Tokyo samarbejdede om et altoptisk, bærbart gasovervågningssystem til forudsigelse af vulkanudbrud med en høj grad af følsomhed. Ud over at levere stabil, langsigtet overvågning af vulkanske gasser i nærheden af ​​vulkankratere, kunne den bærbare analysator også bruges til at detektere giftige gaslækager i kemiske anlæg og kloakker og til atmosfæriske målinger.

Systemet indeholder en miniaturiseret, bølgelængde-fejet kvantekaskadelaser (QCL) udviklet af Hamamatsu. På omkring 1/150th på størrelse med tidligere QCL'er er laseren verdens mindste bølgelængde-fejede QCL. Drivsystemet til gasovervågningssystemet, udviklet af AIST, gør det muligt at montere den lille QCL i lette, bærbare analysatorer, der kan transporteres overalt.
Verdens mindste bølgelængde-fejede QCL er kun 1/150 på størrelse med tidligere bølgelængde-fejede QCL'er. Hilsen af ​​Hamamatsu Photonics KK og New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Udnyttelsen af ​​Hamamatsus eksisterende mikroelektromekaniske system (MEMS) teknologi, udviklerne udviklede QCLs MEMS diffraktionsgitter fuldstændigt og reducerede det til omkring 1/10 af størrelsen af ​​konventionelle riste. Teamet anvendte også en lille magnet, der var indrettet til at reducere unødvendig plads, og præcist samlede de andre komponenter med nøjagtighed ned til enheder på 0,1 um. QCL's ydre dimensioner er 13 × 30 × 13 mm (B × D × H).

Bølgelængde-fejede QCL'er bruger et MEMS-diffraktionsgitter, der spreder, reflekterer og udsender midt-infrarødt lys, mens bølgelængden hurtigt forskydes. Hamamatsus bølge-fejede QCL kan indstilles i bølgelængdeområdet 7 til 8 um. Dette område absorberes let af SO2- og H2S -gasser, der anses for at være tidlige forudsigere for et muligt vulkanudbrud.

For at opnå en indstillelig bølgelængde brugte forskerne en teknologi til enhedsdesign, der er baseret på kvanteeffekten. Til det lysemitterende lag i QCL-elementet brugte de et anti-krydsede dual-upper-state design.

Når den bølgelængde-fejede QCL kombineres med det drivsystem, der er udviklet af AIST, kan den opnå en bølgelængdefejehastighed, der opnår et kontinuerligt melleminfrarødt lysspektrum inden for 20 ms. QCL's højhastigheds-erhvervelse af spektret vil lette analyser af forbigående fænomener, der ændrer sig hurtigt over tid. Spektralopløsningen for QCL er ca. 15 nm, og dens maksimale topeffekt er cirka 150 mW.

I øjeblikket har de fleste analysatorer, der bruges til at detektere og måle vulkanske gasser i realtid, elektrokemiske sensorer. Elektroderne i disse sensorer - og analysatorens ydeevne - forringes hurtigt på grund af konstant eksponering for giftig gas. Alle optiske gasanalysatorer bruger en lyskilde med lang levetid og kræver mindre vedligeholdelse, men den optiske lyskilde kan tage meget plads. Størrelsen af ​​disse analysatorer gør dem vanskelige at installere i nærheden af ​​vulkanske kratere.

Næste generations vulkansk gasovervågningssystem, udstyret med den lille bølgelængde-fejede QCL, vil give vulkanologer en helt optisk, kompakt, bærbar enhed, der har høj følsomhed og let vedligeholdelse. Forskerne ved Hamamatsu og deres kolleger ved AIST og New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), der støttede projektet, vil fortsætte med at undersøge måder at øge analysatorens følsomhed og reducere vedligeholdelse.

Teamet planlægger flerpunktsobservationer for at teste og demonstrere den bærbare analysator. Produkter, der bruger den bølgelængde-fejede QCL og driver kredsløb sammen med Hamamatsu fotodetektorer, er planlagt til frigivelse i 2022.