हमामात्सु, जपान, 25 ऑगस्ट, 2021-टोकियोमधील हमामात्सु फोटोनिक्स आणि नॅशनल इन्स्टिट्यूट ऑफ अॅडव्हान्स्ड इंडस्ट्रियल सायन्स अँड टेक्नॉलॉजी (एआयएसटी) यांनी उच्च-संवेदनशीलतेसह ज्वालामुखीच्या उद्रेकाचा अंदाज लावण्यासाठी ऑल-ऑप्टिकल, पोर्टेबल गॅस मॉनिटरिंग सिस्टमवर सहकार्य केले. ज्वालामुखीच्या खड्ड्यांजवळ ज्वालामुखीय वायूंचे स्थिर, दीर्घकालीन निरीक्षण प्रदान करण्याव्यतिरिक्त, पोर्टेबल विश्लेषक रासायनिक वनस्पती आणि गटारांमध्ये विषारी वायू गळती शोधण्यासाठी आणि वातावरणीय मोजमापांसाठी देखील वापरला जाऊ शकतो.

सिस्टममध्ये हमामात्सुने विकसित केलेले लघु-तरंगलांबी-स्वेप्ट क्वांटम कॅस्केड लेसर (क्यूसीएल) समाविष्ट आहे. मागील क्यूसीएलच्या आकाराच्या सुमारे 1/150 व्या स्थानावर, लेसर हे जगातील सर्वात लहान तरंगलांबीने वाहणारे क्यूसीएल आहे. एआयएसटीने विकसित केलेल्या गॅस मॉनिटरिंग सिस्टीमसाठी ड्राइव्ह सिस्टीम, लहान क्यूसीएलला हलके, पोर्टेबल अॅनालायझर्समध्ये बसविण्यास अनुमती देईल जे कोठेही नेले जाऊ शकते.
जगातील सर्वात लहान तरंगलांबी-स्वेप्ट क्यूसीएल मागील तरंगलांबी-स्वीप क्यूसीएलच्या आकारापेक्षा फक्त 1/150 वा आहे. हमामात्सु फोटोनिक्स केके आणि न्यू एनर्जी अँड इंडस्ट्रियल टेक्नॉलॉजी डेव्हलपमेंट ऑर्गनायझेशन (NEDO) च्या सौजन्याने.
हमामात्सुच्या विद्यमान मायक्रोइलेक्ट्रोमेकॅनिकल सिस्टीम (एमईएमएस) तंत्रज्ञानाचा लाभ घेत, डेव्हलपर्सने क्यूसीएलच्या एमईएमएस डिफ्रॅक्शन ग्रेटिंगची पूर्णपणे पुनर्रचना केली, जी पारंपारिक ग्रॅटींगच्या आकारात सुमारे 1/10 वा कमी केली. टीमने एक लहान चुंबक देखील वापरला ज्याची अनावश्यक जागा कमी करण्यासाठी व्यवस्था केली गेली आणि इतर घटक अचूकपणे 0.1 μm च्या युनिट्सपर्यंत एकत्र केले. QCL चे बाह्य परिमाण 13 × 30 × 13 मिमी (W × D × H) आहेत.

वेव्हलेन्थ-स्वेप्टेड QCLs MEMS डिफ्रॅक्शन ग्रेटिंगचा वापर करतात जे वेगाने तरंगलांबी हलवताना मध्य-अवरक्त प्रकाश पसरवते, परावर्तित करते आणि उत्सर्जित करते. हमामात्सुचे वेव्ह-स्वेप्ट क्यूसीएल 7 ते 8 μm च्या तरंगलांबीच्या श्रेणीमध्ये ट्यून करण्यायोग्य आहे. ही श्रेणी SO2 आणि H2S वायूंद्वारे सहजपणे शोषली जाते जी संभाव्य ज्वालामुखीच्या उद्रेकाची सुरुवातीची भविष्यवाणी मानली जाते.

ट्यून करण्यायोग्य तरंगलांबी प्राप्त करण्यासाठी, संशोधकांनी क्वांटम परिणामावर आधारित उपकरण डिझाइन तंत्रज्ञान वापरले. क्यूसीएल घटकाच्या प्रकाश-उत्सर्जक लेयरसाठी, त्यांनी अँटी-क्रॉस ड्युअल-अपर-स्टेट डिझाइनचा वापर केला.

जेव्हा वेव्हलेन्थ-स्वीप क्यूसीएल एआयएसटीने विकसित केलेल्या ड्राइव्ह सिस्टीमसह एकत्र केले जाते, तेव्हा ती एक वेव्हलेन्थ स्वीपिंग स्पीड प्राप्त करू शकते जी 20 एमएसच्या आत सतत मिड-इन्फ्रारेड लाइट स्पेक्ट्रम मिळवते. QCL ने स्पेक्ट्रमचे उच्च-गती संपादन केल्याने कालांतराने वेगाने बदलणाऱ्या क्षणिक घटनांचे विश्लेषण सुलभ होईल. क्यूसीएलचे स्पेक्ट्रल रिझोल्यूशन सुमारे 15 एनएम आहे आणि त्याचे जास्तीत जास्त पीक आउटपुट अंदाजे 150 मेगावॅट आहे.

सध्या, रिअल टाइममध्ये ज्वालामुखीय वायू शोधण्यासाठी आणि मोजण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या बहुतेक विश्लेषकांमध्ये इलेक्ट्रोकेमिकल सेन्सर असतात. या सेन्सरमधील इलेक्ट्रोड - आणि विश्लेषकाची कामगिरी - विषारी वायूच्या सतत प्रदर्शनामुळे त्वरीत बिघडते. ऑल-ऑप्टिकल गॅस विश्लेषक दीर्घ-आयुष्य प्रकाश स्त्रोत वापरतात आणि कमी देखभाल आवश्यक असते, परंतु ऑप्टिकल प्रकाश स्त्रोत खूप जागा घेऊ शकतात. या विश्लेषकांच्या आकारामुळे त्यांना ज्वालामुखीच्या खड्ड्यांजवळ स्थापित करणे कठीण होते.

पुढच्या पिढीतील ज्वालामुखी गॅस मॉनिटरिंग सिस्टीम, लहान तरंगलांबी-वाहणाऱ्या क्यूसीएलसह सुसज्ज, ज्वालामुखीशास्त्रज्ञांना सर्व-ऑप्टिकल, कॉम्पॅक्ट, पोर्टेबल युनिट प्रदान करेल ज्यात उच्च संवेदनशीलता आणि सुलभ देखभाल आहे. हमामात्सु येथील संशोधक आणि त्यांचे सहकारी एआयएसटी आणि न्यू एनर्जी अँड इंडस्ट्रियल टेक्नॉलॉजी डेव्हलपमेंट ऑर्गनायझेशन (एनईडीओ), जे या प्रकल्पाला पाठिंबा देतात, विश्लेषकांची संवेदनशीलता वाढवण्याच्या आणि देखभाल कमी करण्याच्या मार्गांचा शोध घेत राहतील.

टीम पोर्टेबल विश्लेषकाची चाचणी आणि प्रदर्शन करण्यासाठी मल्टीपॉईंट निरीक्षणाची योजना आखत आहे. वेव्हलेन्थ-स्वेप्ट क्यूसीएल आणि हमामात्सु फोटोडेटेक्टर्ससह ड्राइव्ह सर्किट वापरणारी उत्पादने 2022 मध्ये रिलीज करण्याची योजना आहे.