HAMAMATSU, Xapón, 25 de agosto de 2021 - Hamamatsu Photonics e o Instituto Nacional de Ciencia e Tecnoloxía Industrial Avanzada (AIST) de Tokio colaboraron nun sistema portátil de control de gases totalmente óptico para predicir erupcións volcánicas cun alto grao de sensibilidade. Ademais de proporcionar un seguimento estable e a longo prazo dos gases volcánicos preto dos cráteres volcánicos, o analizador portátil tamén podería usarse para detectar fugas de gases tóxicos en plantas químicas e sumidoiros e para medicións atmosféricas.

O sistema contén un láser de fervenza cuántica (QCL) miniaturizado e barrido en lonxitude de onda desenvolvido por Hamamatsu. Ao redor de 1/150 do tamaño dos QCL anteriores, o láser é o QCL varado en lonxitude de onda máis pequeno do mundo. O sistema de accionamento do sistema de control de gas, desenvolvido por AIST, permitirá montar o pequeno QCL en analizadores portátiles e lixeiros que se poden transportar a calquera lugar.
O QCL barrado en lonxitude de onda máis pequeno do mundo é só 1/150 do tamaño dos QCL barrados en lonxitude de onda anteriores. Cortesía de Hamamatsu Photonics KK e New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Aproveitando a tecnoloxía existente do sistema microelectromecánico (MEMS) de Hamamatsu, os desenvolvedores redeseñaron completamente a reixa de difracción MEMS do QCL, reducíndoa a aproximadamente un décimo do tamaño das reixas convencionais. O equipo tamén empregou un pequeno imán disposto para reducir o espazo innecesario e ensamblou con precisión os demais compoñentes con precisión ata unidades de 0,1 μm. As dimensións externas do QCL son 13 × 30 × 13 mm (ancho × fondo × alto).

Os QCL varridos en lonxitude de onda usan unha rede de difracción MEMS que dispersa, reflicte e emite luz infravermella media mentres cambia rapidamente a lonxitude de onda. O QCL varrido por ondas de Hamamatsu é sintonizable no rango de lonxitudes de onda de 7 a 8 μm. Este rango é absorbido facilmente polos gases SO2 e H2S que se consideran predicidores temperáns dunha posible erupción volcánica.

Para acadar unha lonxitude de onda sintonizable, os investigadores utilizaron unha tecnoloxía de deseño de dispositivos baseada no efecto cuántico. Para a capa emisora ​​de luz do elemento QCL, utilizaron un deseño anti-cruzado de dobre estado superior.

Cando o QCL varrido en lonxitude de onda se combina co sistema de accionamento desenvolvido por AIST, pode alcanzar unha velocidade de barrido de lonxitude de onda que adquire un espectro de luz continua de infravermellos dentro de 20 ms. A adquisición do espectro por QCL a alta velocidade facilitará a análise de fenómenos transitorios que cambian rapidamente co paso do tempo. A resolución espectral do QCL é de aproximadamente 15 nm e a súa máxima potencia máxima é de aproximadamente 150 mW.

Actualmente, a maioría dos analizadores utilizados para detectar e medir gases volcánicos en tempo real teñen sensores electroquímicos. Os electrodos destes sensores e o rendemento do analizador deterioran rapidamente debido á exposición constante a gases tóxicos. Os analizadores de gas totalmente ópticos utilizan unha fonte de luz de longa duración e requiren menos mantemento, pero a fonte de luz óptica pode ocupar moito espazo. O tamaño destes analizadores dificulta a súa instalación preto de cráteres volcánicos.

O sistema de monitorización de gas volcánico de nova xeración, equipado co pequeno QCL barrido en lonxitude de onda, proporcionará aos vulcanólogos unha unidade portátil compacta e totalmente óptica que ten alta sensibilidade e fácil mantemento. Os investigadores de Hamamatsu e os seus colegas de AIST e da New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), que apoiaron o proxecto, seguirán investigando xeitos de aumentar a sensibilidade do analizador e reducir o mantemento.

O equipo planea observacións multipunto para probar e demostrar o analizador portátil. Os produtos que empreguen os circuítos QCL barrados en lonxitude de onda e os circuítos de accionamento xunto cos fotodetectores Hamamatsu están previstos para o seu lanzamento en 2022.