HAMAMATSU, Japón, 25 de agosto de 2021 - Hamamatsu Photonics y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) en Tokio colaboraron en un sistema de monitoreo de gas portátil totalmente óptico para predecir erupciones volcánicas con un alto grado de sensibilidad. Además de proporcionar un monitoreo estable y a largo plazo de los gases volcánicos cerca de los cráteres volcánicos, el analizador portátil también podría usarse para detectar fugas de gases tóxicos en plantas químicas y alcantarillas y para mediciones atmosféricas.

El sistema contiene un láser en cascada cuántico de barrido de longitud de onda (QCL) miniaturizado desarrollado por Hamamatsu. Aproximadamente 1/150 del tamaño de los QCL anteriores, el láser es el QCL de barrido de longitud de onda más pequeño del mundo. El sistema de accionamiento para el sistema de monitoreo de gas, desarrollado por AIST, permitirá que el pequeño QCL se monte en analizadores portátiles livianos que se pueden llevar a cualquier lugar.
El QCL de barrido de longitud de onda más pequeño del mundo es solo 1/150 del tamaño de los QCL de barrido de longitud de onda anteriores. Cortesía de Hamamatsu Photonics KK y New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Aprovechando la tecnología del sistema microelectromecánico (MEMS) existente de Hamamatsu, los desarrolladores rediseñaron por completo la rejilla de difracción MEMS de QCL, reduciéndola a aproximadamente una décima parte del tamaño de las rejillas convencionales. El equipo también empleó un pequeño imán que estaba dispuesto para reducir el espacio innecesario y ensambló con precisión los otros componentes con una precisión de hasta unidades de 0,1 μm. Las dimensiones externas del QCL son 13 × 30 × 13 mm (W × D × H).

Los QCL de barrido de longitud de onda utilizan una rejilla de difracción MEMS que dispersa, refleja y emite luz infrarroja media mientras cambia rápidamente la longitud de onda. El QCL de barrido de onda de Hamamatsu se puede sintonizar en el rango de longitud de onda de 7 a 8 μm. Este rango es absorbido fácilmente por los gases SO2 y H2S que se consideran predictores tempranos de una posible erupción volcánica.

Para lograr una longitud de onda sintonizable, los investigadores utilizaron una tecnología de diseño de dispositivos que se basa en el efecto cuántico. Para la capa emisora ​​de luz del elemento QCL, utilizaron un diseño de estado superior dual anti-cruzado.

Cuando el QCL de barrido de longitud de onda se combina con el sistema de transmisión desarrollado por AIST, puede alcanzar una velocidad de barrido de longitud de onda que adquiere un espectro de luz infrarroja media continua en 20 ms. La adquisición de alta velocidad del espectro por parte de QCL facilitará el análisis de fenómenos transitorios que cambian rápidamente con el tiempo. La resolución espectral del QCL es de aproximadamente 15 nm y su salida máxima máxima es de aproximadamente 150 mW.

Actualmente, la mayoría de los analizadores que se utilizan para detectar y medir gases volcánicos en tiempo real tienen sensores electroquímicos. Los electrodos de estos sensores, y el rendimiento del analizador, se deterioran rápidamente debido a la exposición constante a gases tóxicos. Los analizadores de gas totalmente ópticos utilizan una fuente de luz de larga duración y requieren menos mantenimiento, pero la fuente de luz óptica puede ocupar mucho espacio. El tamaño de estos analizadores dificulta su instalación cerca de cráteres volcánicos.

El sistema de monitoreo de gas volcánico de próxima generación, equipado con el QCL de barrido de longitud de onda diminuta, proporcionará a los vulcanólogos una unidad portátil, compacta y totalmente óptica que tiene alta sensibilidad y fácil mantenimiento. Los investigadores de Hamamatsu y sus colegas de AIST y la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), que apoyaron el proyecto, continuarán investigando formas de aumentar la sensibilidad del analizador y reducir el mantenimiento.

El equipo está planificando observaciones multipunto para probar y demostrar el analizador portátil. Los productos que utilizan el QCL de barrido de longitud de onda y los circuitos de accionamiento junto con los fotodetectores de Hamamatsu están planificados para su lanzamiento en 2022.