HAMAMATSU, Japonia, 25 sierpnia 2021 r. — Hamamatsu Photonics i Narodowy Instytut Zaawansowanych Nauk Przemysłowych i Technologii (AIST) w Tokio współpracowali nad całkowicie optycznym, przenośnym systemem monitorowania gazu do przewidywania erupcji wulkanicznych o wysokim stopniu czułości. Oprócz zapewnienia stabilnego, długoterminowego monitorowania gazów wulkanicznych w pobliżu kraterów wulkanicznych, przenośny analizator może być również używany do wykrywania wycieków gazów toksycznych w zakładach chemicznych i kanałach oraz do pomiarów atmosferycznych.

System zawiera zminiaturyzowany, kwantowy laser kaskadowy (QCL) o przesuniętej długości fali, opracowany przez firmę Hamamatsu. Przy około 1/150 wielkości poprzednich QCL, laser jest najmniejszą na świecie QCL z przesuniętą długością fali. System napędowy dla systemu monitorowania gazu, opracowany przez AIST, pozwoli na zamontowanie maleńkiego QCL w lekkich, przenośnych analizatorach, które można przenosić w dowolne miejsce.
Najmniejsza na świecie QCL z przesuniętą długością fali jest tylko 1/150 wielkości poprzednich QCL z przesuniętą długością fali. Dzięki uprzejmości Hamamatsu Photonics KK oraz Organizacji Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO).
Wykorzystując istniejącą technologię systemu mikroelektromechanicznego (MEMS) Hamamatsu, projektanci całkowicie przeprojektowali siatkę dyfrakcyjną MEMS QCL, zmniejszając ją do około 1/10 wielkości siatek konwencjonalnych. Zespół zastosował również mały magnes, który został rozmieszczony w celu zmniejszenia niepotrzebnej przestrzeni, i precyzyjnie zmontował pozostałe komponenty z dokładnością do jednostek 0,1 μm. Wymiary zewnętrzne QCL to 13 × 30 × 13 mm (szer. × głęb. × wys.).

QCL z przesuniętą długością fali wykorzystują siatkę dyfrakcyjną MEMS, która rozprasza, odbija i emituje światło w średniej podczerwieni, jednocześnie szybko przesuwając długość fali. Przesuwana fala QCL firmy Hamamatsu jest przestrajalna w zakresie długości fali od 7 do 8 μm. Ten zakres jest łatwo absorbowany przez gazy SO2 i H2S, które są uważane za wczesne prognosty ewentualnej erupcji wulkanicznej.

Aby uzyskać przestrajalną długość fali, naukowcy wykorzystali technologię projektowania urządzeń opartą na efekcie kwantowym. W przypadku warstwy emitującej światło elementu QCL zastosowano konstrukcję zapobiegającą przecinaniu się dwóch górnych stanów.

Gdy QCL z przesuniętą długością fali jest połączony z systemem napędowym opracowanym przez AIST, może osiągnąć prędkość przemiatania długości fali, która uzyskuje ciągłe widmo światła w średniej podczerwieni w ciągu 20 ms. Szybkie pozyskiwanie widma przez QCL ułatwi analizę zjawisk przejściowych, które zmieniają się szybko w czasie. Rozdzielczość widmowa QCL wynosi około 15 nm, a maksymalna moc szczytowa wynosi około 150 mW.

Obecnie większość analizatorów wykorzystywanych do wykrywania i pomiaru gazów wulkanicznych w czasie rzeczywistym posiada czujniki elektrochemiczne. Elektrody w tych czujnikach — i wydajność analizatora — szybko się pogarszają z powodu ciągłego narażenia na toksyczny gaz. W pełni optyczne analizatory gazów wykorzystują źródło światła o długiej żywotności i wymagają mniej konserwacji, ale optyczne źródło światła może zająć dużo miejsca. Rozmiar tych analizatorów utrudnia ich instalację w pobliżu kraterów wulkanicznych.

System monitorowania gazów wulkanicznych nowej generacji, wyposażony w maleńki QCL z przesuniętą długością fali, zapewni wulkanologom całkowicie optyczne, kompaktowe, przenośne urządzenie o wysokiej czułości i łatwej konserwacji. Naukowcy z Hamamatsu i ich koledzy z AIST oraz Organizacji Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO), która wsparła projekt, będą nadal badać sposoby zwiększenia czułości analizatora i ograniczenia konserwacji.

Zespół planuje obserwacje wielopunktowe w celu przetestowania i zademonstrowania przenośnego analizatora. Produkty, które wykorzystują QCL z przesuniętą długością fali i obwody sterujące wraz z fotodetektorami Hamamatsu, mają zostać wprowadzone na rynek w 2022 roku.