HAMAMATSU, Japonia, 25 august 2021 - Hamamatsu Photonics și Institutul Național de Științe și Tehnologii Industriale Avansate (AIST) din Tokyo au colaborat la un sistem portabil de monitorizare a gazului, complet optic, pentru prezicerea erupțiilor vulcanice cu un grad ridicat de sensibilitate. În plus față de furnizarea unei monitorizări stabile, pe termen lung, a gazelor vulcanice în apropierea craterelor vulcanice, analizorul portabil ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a detecta scurgerile de gaze toxice din uzinele chimice și de canalizare și pentru măsurători atmosferice.

Sistemul conține un laser în cascadă cuantică (QCL) miniaturizat, măturat în lungime de undă, dezvoltat de Hamamatsu. La aproximativ 1/150 dimensiunea QCL-urilor anterioare, laserul este cel mai mic QCL cu lungime de undă din lume. Sistemul de acționare pentru sistemul de monitorizare a gazului, dezvoltat de AIST, va permite micului QCL să fie montat în analizoare portabile ușoare care pot fi transportate oriunde.
Cel mai mic QCL măturat în lungime de undă din lume are doar 1/150 dimensiunea QCL-urilor măturate în lungime de undă. Amabilitatea lui Hamamatsu Photonics KK și New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Folosind tehnologia existentă a sistemului microelectromecanic (MEMS) Hamamatsu, dezvoltatorii au reproiectat complet rețeaua de difracție MEMS a QCL, reducând-o la aproximativ 1/10 din dimensiunea grătarelor convenționale. Echipa a folosit, de asemenea, un mic magnet care a fost aranjat pentru a reduce spațiul inutil și a asamblat cu precizie celelalte componente cu precizie până la unități de 0,1 μm. Dimensiunile externe ale QCL sunt de 13 × 30 × 13 mm (L × A × H).

QCL-urile cu lungime de undă utilizează o rețea de difracție MEMS care dispersează, reflectă și emite lumină în infraroșu mediu, în timp ce schimbă rapid lungimea de undă. QCL-ul bătut de unde Hamamatsu este reglabil în lungimea de undă de la 7 la 8 μm. Acest interval este absorbit cu ușurință de gazele SO2 și H2S care sunt considerate a fi predictori timpurii ai unei posibile erupții vulcanice.

Pentru a obține o lungime de undă reglabilă, cercetătorii au folosit o tehnologie de proiectare a dispozitivelor care se bazează pe efectul cuantic. Pentru stratul emițător de lumină al elementului QCL, aceștia au folosit un design anti-încrucișat cu două stări superioare.

Când QCL-ul măturat în lungime de undă este combinat cu sistemul de acționare dezvoltat de AIST, acesta poate atinge o viteză de măturare a lungimii de undă care dobândește un spectru continuu de lumină în infraroșu mediu în termen de 20 ms. Achiziționarea spectrului de mare viteză de către QCL va facilita analiza fenomenelor tranzitorii care se schimbă rapid în timp. Rezoluția spectrală a QCL este de aproximativ 15 nm, iar puterea sa maximă maximă este de aproximativ 150 mW.

În prezent, majoritatea analizoarelor utilizate pentru detectarea și măsurarea gazelor vulcanice în timp real au senzori electrochimici. Electrozii acestor senzori - și performanța analizorului - se deteriorează rapid, datorită expunerii constante la gazele toxice. Analizoarele de gaz complet optice utilizează o sursă de lumină cu durată lungă de viață și necesită mai puțină întreținere, dar sursa de lumină optică poate ocupa mult spațiu. Dimensiunea acestor analizoare le face dificil de instalat în apropierea craterelor vulcanice.

Sistemul de monitorizare a gazelor vulcanice de generația următoare, echipat cu micul QCL măturat pe lungime de undă, va oferi vulcanologilor o unitate complet optică, compactă, portabilă, cu sensibilitate ridicată și întreținere ușoară. Cercetătorii de la Hamamatsu și colegii lor de la AIST și New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), care au sprijinit proiectul, vor continua să investigheze modalități de a crește sensibilitatea analizorului și de a reduce întreținerea.

Echipa planifică observații multipunct pentru a testa și demonstra analizorul portabil. Produsele care utilizează QCL-ul măturat în lungime de undă și circuitele de acționare împreună cu fotodetectoarele Hamamatsu sunt planificate pentru lansare în 2022.