HAMAMATSU, Japan, 25. August 2021 – Hamamatsu Photonics und das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tokio haben an einem rein optischen, tragbaren Gasüberwachungssystem zur Vorhersage von Vulkanausbrüchen mit hoher Empfindlichkeit zusammengearbeitet. Neben der stabilen Langzeitüberwachung vulkanischer Gase in der Nähe von Vulkankratern könnte der tragbare Analysator auch zum Aufspüren giftiger Gase in Chemieanlagen und Abwasserkanälen sowie für atmosphärische Messungen eingesetzt werden.

Das System enthält einen von Hamamatsu entwickelten miniaturisierten, wellenlängengewobbelten Quantenkaskadenlaser (QCL). Mit etwa 1/150 der Größe früherer QCLs ist der Laser der kleinste wellenlängensweep-QCL der Welt. Das von AIST entwickelte Antriebssystem für das Gasüberwachungssystem ermöglicht den Einbau des winzigen QCL in leichte, tragbare Analysatoren, die überall hin mitgenommen werden können.
Der kleinste wellenlängen-gewobbelte QCL der Welt ist nur 1/150 der Größe früherer wellenlängen-gewobbelter QCLs. Mit freundlicher Genehmigung von Hamamatsu Photonics KK und New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Unter Nutzung der bestehenden mikroelektromechanischen Systemtechnologie (MEMS) von Hamamatsu haben die Entwickler das MEMS-Beugungsgitter des QCL komplett neu gestaltet und es auf etwa 1/10 der Größe herkömmlicher Gitter reduziert. Das Team setzte auch einen kleinen Magneten ein, der so angeordnet war, dass er unnötigen Platz spart, und die anderen Komponenten mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 μm präzise montiert. Die Außenmaße des QCL betragen 13 × 30 × 13 mm (B × T × H).

Wellenlängen-gewobbelte QCLs verwenden ein MEMS-Beugungsgitter, das Licht im mittleren Infrarot dispergiert, reflektiert und emittiert, während die Wellenlänge schnell verschoben wird. Die wellendurchflossene QCL von Hamamatsu ist im Wellenlängenbereich von 7 bis 8 µm durchstimmbar. Dieser Bereich wird leicht von den Gasen SO2 und H2S absorbiert, die als frühe Prädiktoren für einen möglichen Vulkanausbruch gelten.

Um eine durchstimmbare Wellenlänge zu erreichen, verwendeten die Forscher eine Technologie für das Gerätedesign, die auf dem Quanteneffekt basiert. Für die lichtemittierende Schicht des QCL-Elements verwendeten sie ein Anti-Crossed-Dual-Upper-State-Design.

In Kombination mit dem von AIST entwickelten Antriebssystem kann die wellenlängengewobbelte QCL eine Wellenlängen-Sweep-Geschwindigkeit erreichen, die innerhalb von 20 ms ein kontinuierliches Lichtspektrum im mittleren Infrarot erfasst. Die schnelle Erfassung des Spektrums durch den QCL wird die Analyse von transienten Phänomenen erleichtern, die sich im Laufe der Zeit schnell ändern. Die spektrale Auflösung des QCL beträgt etwa 15 nm und seine maximale Spitzenleistung beträgt etwa 150 mW.

Derzeit verfügen die meisten Analysatoren zur Erkennung und Messung von vulkanischen Gasen in Echtzeit über elektrochemische Sensoren. Die Elektroden in diesen Sensoren – und die Leistung des Analysators – verschlechtern sich schnell, da sie ständig giftigen Gasen ausgesetzt sind. Volloptische Gasanalysatoren verwenden eine langlebige Lichtquelle und erfordern weniger Wartung, aber die optische Lichtquelle kann viel Platz einnehmen. Die Größe dieser Analysatoren macht es schwierig, sie in der Nähe von Vulkankratern zu installieren.

Das Überwachungssystem für vulkanisches Gas der nächsten Generation, das mit dem winzigen QCL mit Wellenlängendurchgang ausgestattet ist, wird Vulkanologen eine vollständig optische, kompakte, tragbare Einheit mit hoher Empfindlichkeit und einfacher Wartung bieten. Die Forscher von Hamamatsu und ihre Kollegen von AIST und der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), die das Projekt unterstützten, werden weiterhin nach Wegen suchen, die Empfindlichkeit des Analysators zu erhöhen und den Wartungsaufwand zu reduzieren.

Das Team plant Mehrpunktbeobachtungen, um den tragbaren Analysator zu testen und zu demonstrieren. Produkte, die die wellenlängengewobbelte QCL und Treiberschaltungen zusammen mit Hamamatsu-Photodetektoren verwenden, sollen 2022 auf den Markt kommen.