HAMAMATSU, Jepang, 25 Agustus 2021 — Hamamatsu Photonics dan Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Lanjutan (AIST) di Tokyo berkolaborasi dalam sistem pemantauan gas portabel semua-optik untuk memprediksi letusan gunung berapi dengan tingkat sensitivitas yang tinggi. Selain menyediakan pemantauan jangka panjang yang stabil dari gas vulkanik di dekat kawah gunung berapi, penganalisis portabel juga dapat digunakan untuk mendeteksi kebocoran gas beracun di pabrik kimia dan saluran pembuangan dan untuk pengukuran atmosfer.

Sistem ini berisi laser kaskade kuantum (QCL) mini yang disapu panjang gelombang yang dikembangkan oleh Hamamatsu. Pada sekitar 1/150 ukuran QCL sebelumnya, laser adalah QCL dengan panjang gelombang terkecil di dunia. Sistem penggerak untuk sistem pemantauan gas, yang dikembangkan oleh AIST, akan memungkinkan QCL kecil untuk dipasang ke penganalisis portabel yang ringan yang dapat dibawa ke mana saja.
QCL tersapu panjang gelombang terkecil di dunia hanya 1/150 ukuran QCL tersapu panjang gelombang sebelumnya. Atas izin Hamamatsu Photonics KK dan Organisasi Pengembangan Teknologi dan Energi Baru (NEDO).
Memanfaatkan teknologi microelectromechanical system (MEMS) Hamamatsu yang ada, para pengembang sepenuhnya mendesain ulang kisi difraksi MEMS QCL, menguranginya menjadi sekitar 1/10 ukuran kisi konvensional. Tim juga menggunakan magnet kecil yang diatur untuk mengurangi ruang yang tidak perlu, dan merakit komponen lain secara presisi dengan akurasi hingga unit 0,1 m. Dimensi eksternal QCL adalah 13 × 30 × 13 mm (L × D × T).

QCL yang disapu panjang gelombang menggunakan kisi difraksi MEMS yang menyebarkan, memantulkan, dan memancarkan cahaya inframerah-tengah sambil dengan cepat menggeser panjang gelombang. QCL gelombang Hamamatsu dapat disetel dalam rentang panjang gelombang 7 hingga 8 m. Kisaran ini diserap dengan mudah oleh gas SO2 dan H2S yang dianggap sebagai prediktor awal kemungkinan letusan gunung berapi.

Untuk mencapai panjang gelombang yang dapat disetel, para peneliti menggunakan teknologi desain perangkat yang didasarkan pada efek kuantum. Untuk lapisan pemancar cahaya elemen QCL, mereka menggunakan desain dual-negara bagian atas yang anti-bersilang.

Ketika QCL yang menyapu panjang gelombang digabungkan dengan sistem penggerak yang dikembangkan oleh AIST, QCL dapat mencapai kecepatan sapuan panjang gelombang yang memperoleh spektrum cahaya inframerah-tengah terus menerus dalam waktu 20 ms. Akuisisi spektrum berkecepatan tinggi QCL akan memfasilitasi analisis fenomena transien yang berubah dengan cepat seiring waktu. Resolusi spektral QCL adalah sekitar 15 nm, dan output puncak maksimumnya sekitar 150 mW.

Saat ini, sebagian besar alat analisis yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur gas vulkanik secara real time memiliki sensor elektrokimia. Elektroda di sensor ini — dan kinerja alat analisis — cepat memburuk, karena terus-menerus terpapar gas beracun. Penganalisis gas semua-optik menggunakan sumber cahaya yang tahan lama dan membutuhkan lebih sedikit perawatan, tetapi sumber cahaya optik dapat memakan banyak ruang. Ukuran alat analisa ini membuat mereka sulit dipasang di dekat kawah gunung berapi.

Sistem pemantauan gas vulkanik generasi berikutnya, yang dilengkapi dengan QCL panjang gelombang kecil, akan memberi ahli vulkanologi unit portabel, kompak, dan serba optik yang memiliki sensitivitas tinggi dan perawatan yang mudah. Para peneliti di Hamamatsu dan rekan-rekan mereka di AIST dan Energi Baru dan Organisasi Pengembangan Teknologi Industri (NEDO), yang mendukung proyek tersebut, akan terus menyelidiki cara-cara untuk meningkatkan sensitivitas alat analisis dan mengurangi perawatan.

Tim sedang merencanakan pengamatan multipoint untuk menguji dan mendemonstrasikan penganalisis portabel. Produk yang menggunakan QCL dan sirkuit penggerak panjang gelombang bersama dengan fotodetektor Hamamatsu direncanakan untuk dirilis pada tahun 2022.