HAMAMATSU, Japonija, 2021 m. Rugpjūčio 25 d.-„Hamamatsu Photonics“ ir Nacionalinis pažangių pramonės mokslo ir technologijų institutas (AIST) Tokijuje bendradarbiavo kurdami visiškai optinę, nešiojamą dujų stebėjimo sistemą, skirtą numatyti didelio jautrumo ugnikalnių išsiveržimus. Be to, kad nešiojamasis analizatorius galėtų stabiliai ir ilgai stebėti vulkanines dujas šalia vulkaninių kraterių, jis taip pat galėtų būti naudojamas aptikti toksiškų dujų nuotėkius chemijos gamyklose ir kanalizacijoje bei atlikti atmosferos matavimus.

Sistemoje yra miniatiūrinis, bangos ilgio sukeltas kvantinis kaskadinis lazeris (QCL), sukurtas Hamamatsu. Maždaug 1/150 ankstesnių QCL dydžio lazeris yra mažiausias pasaulyje bangos ilgio QCL. AIST sukurta dujų stebėjimo sistemos pavaros sistema leis mažytį QCL sumontuoti į lengvus, nešiojamus analizatorius, kuriuos galima nešiotis bet kur.
Mažiausias pasaulyje bangos ilgio QCL yra tik 1/150 ankstesnio bangos ilgio QCL dydžio. „Hamamatsu Photonics KK“ ir Naujosios energetikos ir pramonės technologijų plėtros organizacijos (NEDO) sutikimas.
Pasinaudodami esama „Hamamatsu“ mikroelektromechaninės sistemos (MEMS) technologija, kūrėjai visiškai pertvarkė QCL MEMS difrakcines groteles, sumažindami jas iki maždaug dešimtosios įprastinių grotelių dydžio. Komanda taip pat naudojo nedidelį magnetą, kuris buvo skirtas sumažinti nereikalingą erdvę, ir tiksliai surinko kitus komponentus iki 0,1 μm tikslumo. Išoriniai QCL matmenys yra 13 × 30 × 13 mm (P × D × A).

Bangos ilgio nublokšti QCL naudoja MEMS difrakcines groteles, kurios išsklaido, atspindi ir skleidžia vidutinės infraraudonosios spinduliuotės spindulius, greitai keičiant bangos ilgį. „Hamamatsu“ bangų nublokštas QCL yra derinamas bangų ilgių diapazone nuo 7 iki 8 μm. Šį diapazoną lengvai sugeria SO2 ir H2S dujos, kurios laikomos ankstyvomis galimo ugnikalnio išsiveržimo prognozėmis.

Norėdami pasiekti derinamą bangos ilgį, tyrėjai naudojo prietaiso projektavimo technologiją, pagrįstą kvantiniu efektu. Šviesą skleidžiančiam QCL elemento sluoksniui jie naudojo priešpriešinį dvigubos viršutinės būsenos dizainą.

Sujungus bangos ilgio QCL su AIST sukurta pavaros sistema, ji gali pasiekti bangos ilgio šlifavimo greitį, kuris per 20 ms įgyja nuolatinį vidutinio infraraudonųjų spindulių spektrą. Greitas QCL spektro gavimas palengvins laikinų reiškinių, kurie laikui bėgant keičiasi, analizę. QCL spektrinė skiriamoji geba yra apie 15 nm, o didžiausia maksimali galia yra maždaug 150 mW.

Šiuo metu dauguma analizatorių, naudojamų vulkaninėms dujoms aptikti ir matuoti realiu laiku, turi elektrocheminius jutiklius. Šių jutiklių elektrodai ir analizatoriaus veikimas greitai blogėja dėl nuolatinio toksiškų dujų poveikio. Visiškai optiniai dujų analizatoriai naudoja ilgaamžį šviesos šaltinį ir reikalauja mažiau priežiūros, tačiau optinis šviesos šaltinis gali užimti daug vietos. Dėl šių analizatorių dydžio juos sunku sumontuoti šalia vulkaninių kraterių.

Naujos kartos vulkaninių dujų stebėjimo sistema, aprūpinta mažu bangos ilgio QCL, suteiks vulkanologams visiškai optinį, kompaktišką, nešiojamą įrenginį, kuris yra labai jautrus ir lengvai prižiūrimas. „Hamamatsu“ mokslininkai ir jų kolegos iš AIST ir projektą remusios Naujosios energetikos ir pramonės technologijų plėtros organizacijos (NEDO) ir toliau tirs būdus, kaip padidinti analizatoriaus jautrumą ir sumažinti techninę priežiūrą.

Komanda planuoja kelių taškų stebėjimus, kad išbandytų ir pademonstruotų nešiojamąjį analizatorių. Planuojama, kad produktai, kurie naudoja bangų ilgio QCL ir pavaros grandines kartu su „Hamamatsu“ fotodetektoriais, bus išleisti 2022 m.