HAMAMATSU, Japán, 2021. augusztus 25.-A Hamamatsu Photonics és a Tokiói Nemzeti Ipari Tudományos és Technológiai Intézet (AIST) együttműködött egy teljesen optikai, hordozható gázfelügyeleti rendszerben a nagy érzékenységű vulkánkitörések előrejelzésére. Amellett, hogy a vulkanikus kráterek közelében a vulkanikus gázok stabil, hosszú távú megfigyelését biztosítja, a hordozható analizátor a vegyi üzemekben és csatornákban lévő mérgező gázszivárgások kimutatására és a légköri mérésekre is használható.

A rendszer a Hamamatsu által kifejlesztett miniatürizált, hullámhosszúságú, kvantum kaszkád lézert (QCL) tartalmaz. A korábbi QCL-ek méretének körülbelül 1/150-ed része, a lézer a világ legkisebb hullámhosszúságú QCL-je. Az AIST által kifejlesztett gázfelügyeleti rendszer hajtásrendszere lehetővé teszi az apró QCL könnyű, hordozható analizátorokba történő felszerelését, amelyek bárhová szállíthatók.
A világ legkisebb hullámhosszúságú QCL-je csak 1/150 része a korábbi hullámhosszúságú QCL-eknek. A Hamamatsu Photonics KK és az Új Energia- és Ipari Technológiai Fejlesztési Szervezet (NEDO) jóvoltából.
A Hamamatsu meglévő mikroelektromechanikus rendszer (MEMS) technológiáját kihasználva a fejlesztők teljesen áttervezték a QCL MEMS diffrakciós rácsát, és a hagyományos rácsok méretének körülbelül a tizedére csökkentették. A csapat egy kis mágnest is alkalmazott, amely a felesleges hely csökkentésére szolgál, és pontosan összeszerelte a többi alkatrészt 0,1 μm -es pontossággal. A QCL külső méretei 13 × 30 × 13 mm (szélesség × mélység × magasság).

A hullámhosszúságú QCL-ek MEMS diffrakciós rácsot használnak, amely eloszlatja, tükrözi és közepes infravörös fényt bocsát ki, miközben gyorsan eltolja a hullámhosszat. A Hamamatsu hullámokkal söpört QCL-je 7-8 μm hullámhossztartományban hangolható. Ezt a tartományt könnyen elnyelik az SO2 és H2S gázok, amelyeket az esetleges vulkánkitörés korai előrejelzőinek tartanak.

A hangolható hullámhossz elérése érdekében a kutatók olyan eszköztervezési technológiát alkalmaztak, amely a kvantumhatáson alapul. A QCL elem fénykibocsátó rétegéhez kereszteződésmentes kettős felső állapotú kialakítást alkalmaztak.

Ha a hullámhosszúságú QCL-t az AIST által kifejlesztett hajtásrendszerrel kombinálják, akkor olyan hullámhosszú söprési sebességet érhet el, amely 20 ms-on belül folyamatos középsugárú fényspektrumot kap. A QCL nagy sebességű spektrum-felvétele megkönnyíti az idővel gyorsan változó átmeneti jelenségek elemzését. A QCL spektrális felbontása körülbelül 15 nm, maximális csúcsteljesítménye pedig körülbelül 150 mW.

Jelenleg a vulkanikus gázok valós idejű kimutatására és mérésére használt analizátorok többsége elektrokémiai érzékelővel rendelkezik. Ezen érzékelők elektródái - és az analizátor teljesítménye - gyorsan romlanak a mérgező gázoknak való folyamatos kitettség miatt. A teljesen optikai gázelemzők hosszú élettartamú fényforrást használnak, és kevesebb karbantartást igényelnek, de az optikai fényforrás sok helyet foglalhat el. Ezen elemzők mérete megnehezíti a vulkáni kráterek közelében történő telepítést.

Az új generációs vulkanikus gázfigyelő rendszer, apró hullámhosszúságú QCL-el felszerelve, a vulkanológusok számára teljesen optikai, kompakt, hordozható egységet biztosít, amely nagy érzékenységgel és könnyű karbantartással rendelkezik. A Hamamatsu kutatói és kollégáik az AIST -nél és a projektet támogató Új Energia- és Ipari Technológiai Fejlesztési Szervezetnél (NEDO) továbbra is vizsgálják az elemző érzékenységének növelésének és a karbantartás csökkentésének módjait.

A csapat többpontos megfigyeléseket tervez a hordozható analizátor tesztelésére és bemutatására. A tervek szerint 2022-ben kerülnek forgalomba azok a termékek, amelyek a Hamamatsu fotodetektorokkal együtt használják a hullámhosszúságú QCL-t és a meghajtó áramköröket.