HAMAMATSU, Japonska, 25. avgusta 2021-Hamamatsu Photonics in Nacionalni inštitut za napredno industrijsko znanost in tehnologijo (AIST) v Tokiu sta sodelovala pri popolnoma optičnem prenosnem sistemu za spremljanje plinov za napovedovanje vulkanskih izbruhov z visoko stopnjo občutljivosti. Poleg stabilnega in dolgoročnega spremljanja vulkanskih plinov v bližini vulkanskih kraterjev bi lahko prenosni analizator uporabili tudi za odkrivanje puščanja strupenih plinov v kemičnih obratih in kanalizaciji ter za meritve atmosfere.

Sistem vsebuje miniaturiziran kvantno-kaskadni laser (QCL), ki ga prenaša valovna dolžina, razvil je Hamamatsu. Laser je približno 1/150-e velikosti prejšnjih QCL-jev in je najmanjši QCL na svetu, ki ga premetavajo valovne dolžine. Pogonski sistem za nadzor plinskega sistema, ki ga je razvil AIST, bo omogočil, da se majhen QCL namesti v lahke prenosne analizatorje, ki jih lahko nosite kamor koli.
Najmanjši QCL na svetu, ki ga premetavajo valovne dolžine, je le 1/150-ih velikosti prejšnjih QCL-jev, ki so jih pometale valovne dolžine. Z dovoljenjem Hamamatsu Photonics KK in Nove organizacije za razvoj energije in industrijske tehnologije (NEDO).
Z uporabo obstoječe tehnologije Hamamatsujevega mikroelektromehanskega sistema (MEMS) so razvijalci popolnoma prenovili difrakcijsko rešetko MEMS QCL in jo zmanjšali na približno 1/10 velikosti običajnih rešetk. Ekipa je uporabila tudi majhen magnet, ki je bil urejen za zmanjšanje nepotrebnega prostora, in natančno sestavila ostale komponente do enot 0,1 μm. Zunanje mere QCL so 13 × 30 × 13 mm (Š × G × V).

QCL-ji s valovno dolžino uporabljajo difrakcijsko rešetko MEMS, ki razprši, odseva in oddaja srednje infrardečo svetlobo, hkrati pa hitro spreminja valovno dolžino. Hamamatsujev valoviti QCL je nastavljiv v območju valovnih dolžin od 7 do 8 μm. To območje zlahka absorbirajo plini SO2 in H2S, ki veljajo za zgodnje napovedovalce možnega vulkanskega izbruha.

Za dosego nastavljive valovne dolžine so raziskovalci uporabili tehnologijo oblikovanja naprav, ki temelji na kvantnem učinku. Za svetlobno plast elementa QCL so uporabili zasnovo proti prečkanju dvojnega zgornjega stanja.

Ko QCL z valovno dolžino kombiniramo s pogonskim sistemom, ki ga je razvil AIST, lahko doseže hitrost pometanja valovne dolžine, ki v 20 ms pridobi neprekinjen svetlobni spekter srednje infrardeče svetlobe. Hitro pridobivanje spektra QCL bo olajšalo analizo prehodnih pojavov, ki se sčasoma hitro spreminjajo. Spektralna ločljivost QCL je približno 15 nm, največja končna moč pa je približno 150 mW.

Trenutno ima večina analizatorjev za odkrivanje in merjenje vulkanskih plinov v realnem času elektrokemijske senzorje. Elektrode v teh senzorjih - in delovanje analizatorja - se zaradi stalne izpostavljenosti strupenemu plinu hitro poslabšajo. Popolnoma optični analizatorji plina uporabljajo dolgotrajen svetlobni vir in zahtevajo manj vzdrževanja, vendar lahko optični vir svetlobe zavzame veliko prostora. Zaradi velikosti teh analizatorjev jih je težko namestiti v bližini vulkanskih kraterjev.

Naslednja generacija sistema za spremljanje vulkanskih plinov, opremljena z majhno valovno dolžino QCL, bo vulkanologom zagotovila popolnoma optično, kompaktno, prenosno enoto, ki ima visoko občutljivost in enostavno vzdrževanje. Raziskovalci v podjetju Hamamatsu in njihovi sodelavci pri AIST in Organizaciji za razvoj nove energije in industrijske tehnologije (NEDO), ki je projekt podprla, bodo še naprej raziskovali načine za povečanje občutljivosti analizatorja in zmanjšanje vzdrževanja.

Ekipa načrtuje večtočkovna opazovanja za testiranje in prikaz prenosnega analizatorja. Izdelke, ki uporabljajo valovne dolžine QCL in pogonska vezja skupaj s fotodetektorji Hamamatsu, načrtujejo za izdajo leta 2022.