HAMAMATSU, Японія, 25 серпня 2021 р.-Hamamatsu Photonics та Національний інститут передових промислових наук та технологій (AIST) у Токіо співпрацювали над повністю оптичною портативною системою моніторингу газу для прогнозування вивержень вулканів з високим ступенем чутливості. Окрім забезпечення стабільного, довгострокового моніторингу вулканічних газів поблизу вулканічних кратерів, портативний аналізатор також може бути використаний для виявлення витоків токсичного газу на хімічних установках та каналізаційних мережах та для вимірювання атмосфери.

Система містить мініатюрний квантово-каскадний лазер (QCL), охоплений довжиною хвилі, розроблений компанією Hamamatsu. Приблизно на 1/150 розмір попередніх QCL, лазер є найменшим у світі QCL, охопленим довжиною хвилі. Система приводу для системи моніторингу газу, розроблена компанією AIST, дозволить встановити крихітний QCL у легкі портативні аналізатори, які можна переносити куди завгодно.
Найменший у світі QCL, що охоплює довжину хвилі, становить лише 1/150 розмір попередніх QCL, охоплених довжиною хвилі. Надано Hamamatsu Photonics KK та Новою організацією розвитку енергетики та промислових технологій (NEDO).
Використовуючи існуючу технологію мікроелектромеханічної системи (MEMS) компанії Hamamatsu, розробники повністю переробили дифракційну решітку QML MEMS, зменшивши її приблизно до 1/10 розміру звичайних решіток. Команда також застосувала маленький магніт, призначений для зменшення зайвого простору, і точно зібрала інші компоненти з точністю до одиниць 0,1 мкм. Зовнішні розміри QCL складають 13 × 30 × 13 мм (Ш × Г × В).

QCL з довжиною хвилі використовують дифракційну решітку MEMS, яка розсіює, відбиває та випромінює середнє інфрачервоне світло, швидко змінюючи довжину хвилі. Хвильовий QCL Hamamatsu налаштовується в діапазоні довжин хвиль від 7 до 8 мкм. Цей діапазон легко поглинається газами SO2 та H2S, які вважаються ранніми провісниками можливого виверження вулкана.

Щоб досягти регульованої довжини хвилі, дослідники використали технологію конструювання пристроїв, яка базується на квантовому ефекті. Для випромінювального шару елемента QCL вони використовували антиперехресну конструкцію з подвійним верхнім станом.

Коли QCL, охоплений довжиною хвилі, поєднується з системою приводу, розробленою компанією AIST, він може досягти швидкості розгортки довжини хвилі, яка набуває безперервного середньо-інфрачервоного спектру світла протягом 20 мс. Високошвидкісне отримання спектру QCL полегшить аналіз перехідних явищ, які швидко змінюються з плином часу. Спектральна роздільна здатність QCL становить близько 15 нм, а його максимальна пікова потужність становить приблизно 150 мВт.

В даний час більшість аналізаторів, що використовуються для виявлення та вимірювання вулканічних газів у режимі реального часу, мають електрохімічні датчики. Електроди в цих датчиках - і робота аналізатора - швидко погіршуються через постійне вплив токсичного газу. Повністю оптичні газоаналізатори використовують довговічне джерело світла і вимагають меншого обслуговування, але оптичне джерело світла може займати багато місця. Розмір цих аналізаторів ускладнює їх встановлення поблизу вулканічних кратерів.

Система моніторингу вулканічного газу наступного покоління, обладнана крихітною довжиною хвилі QCL, забезпечить вулканологів повністю оптичним, компактним портативним пристроєм, який має високу чутливість та просте обслуговування. Дослідники з Hamamatsu та їх колеги з AIST та Організації з розвитку нової енергетики та промислових технологій (NEDO), які підтримали проект, продовжать досліджувати шляхи підвищення чутливості аналізатора та скорочення технічного обслуговування.

Команда планує багатоточкові спостереження для тестування та демонстрації портативного аналізатора. Планується, що продукція, яка використовує охоплену довжиною хвилі QCL та схеми керування разом із фотоприймачами Hamamatsu, буде випущена у 2022 році.