일본, 2021년 8월 25일 — Hamamatsu Photonics와 도쿄의 국립 산업 과학 기술 연구소(AIST)는 높은 감도로 화산 폭발을 예측하기 위한 전광학 휴대용 가스 모니터링 시스템을 공동으로 개발했습니다. 화산 분화구 근처의 화산 가스에 대한 안정적이고 장기적인 모니터링을 제공하는 것 외에도 휴대용 분석기는 화학 플랜트 및 하수구의 독성 가스 누출을 감지하고 대기 측정에 사용할 수 있습니다.

이 시스템에는 Hamamatsu가 개발한 소형 파장 스위프 양자 캐스케이드 레이저(QCL)가 포함되어 있습니다. 이전 QCL 크기의 약 1/150인 레이저는 세계에서 가장 작은 파장 휩쓸 QCL입니다. AIST에서 개발한 가스 모니터링 시스템용 구동 시스템을 사용하면 작은 QCL을 어디서나 휴대할 수 있는 경량의 휴대용 분석기에 장착할 수 있습니다.
세계에서 가장 작은 파장 스위프 QCL은 이전 파장 스위프 QCL 크기의 1/150에 불과합니다. Hamamatsu Photonics KK 및 신에너지 및 산업 기술 개발 기구(NEDO) 제공.
개발자들은 Hamamatsu의 기존 MEMS(Microelectromechanical System) 기술을 활용하여 QCL의 MEMS 회절 격자를 완전히 재설계하여 기존 격자 크기의 약 1/10로 줄였습니다. 또한 불필요한 공간을 줄이기 위해 배치된 작은 자석을 사용하고 다른 구성 요소를 0.1μm 단위의 정확도로 정밀하게 조립했습니다. QCL의 외부 치수는 13 × 30 × 13mm(W × D × H)입니다.

파장 스위프 QCL은 파장을 빠르게 이동시키면서 중적외선을 분산, 반사 및 방출하는 MEMS 회절 격자를 사용합니다. Hamamatsu의 웨이브 스위프 QCL은 7~8μm의 파장 범위에서 조정할 수 있습니다. 이 범위는 화산 폭발의 조기 예측자로 간주되는 SO2 및 H2S 가스에 쉽게 흡수됩니다.

조정 가능한 파장을 달성하기 위해 연구원들은 양자 효과를 기반으로 하는 장치 설계 기술을 사용했습니다. QCL 소자의 발광층에는 교차 방지 이중 상부 상태 설계를 사용했습니다.

파장 스위프 QCL을 AIST에서 개발한 구동 시스템과 결합하면 20ms 이내에 연속적인 중적외선 스펙트럼을 획득하는 파장 스위프 속도를 달성할 수 있다. 스펙트럼에 대한 QCL의 고속 획득은 시간이 지남에 따라 빠르게 변하는 과도 현상의 분석을 용이하게 합니다. QCL의 스펙트럼 분해능은 약 15nm이고 최대 피크 출력은 약 150mW입니다.

현재 화산가스를 실시간으로 감지하고 측정하기 위해 사용되는 대부분의 분석기는 전기화학적 센서를 가지고 있다. 이러한 센서의 전극과 분석기의 성능은 독성 가스에 지속적으로 노출되기 때문에 빠르게 저하됩니다. 전광 가스 분석기는 수명이 긴 광원을 사용하고 유지 관리가 덜 필요하지만 광학 광원은 많은 공간을 차지할 수 있습니다. 이 분석기는 크기 때문에 화산 분화구 근처에 설치하기 어렵습니다.

작은 파장 스위프 QCL이 장착된 차세대 화산 가스 모니터링 시스템은 화산 학자에게 고감도와 손쉬운 유지 보수를 갖춘 전광학 소형 휴대용 장치를 제공할 것입니다. Hamamatsu의 연구원들과 AIST의 동료들과 이 프로젝트를 지원한 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)는 분석기의 감도를 높이고 유지 보수를 줄이는 방법을 계속 조사할 것입니다.

팀은 휴대용 분석기를 테스트하고 시연하기 위해 다지점 관찰을 계획하고 있습니다. 파장 스위프 QCL 및 구동 회로를 Hamamatsu 광검출기와 함께 사용하는 제품은 2022년에 출시될 예정입니다.