Компания Hamamatsu представила самый маленький в мире перестраиваемый квантово-каскадный лазер

ЛАЗЕР МОЖЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА СВЕТА ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ГАЗОВ

Используя собственную уникальную технологию микроэлектромеханических систем (МЭМС) и технологию монтажа оптических компонентов, компания Hamamatsu Photonics разработала самый маленький в мире перестраиваемый квантово-каскадный лазер, размер которого составляет лишь 1/150 предыдущих изделий. Дополнительно для этого нового квантово-каскадного лазера была создана специальная система управления, которая позволит обеспечить высокое быстродействие и упростит проектирование периферийных схем. Благодаря этим характеристикам лазер можно использовать в качестве источника света для портативных анализаторов, что в свою очередь уменьшит габариты и вес самих анализаторов.

Данная разработка имеет своей целью повысить чувствительность анализаторов для обнаружения диоксида серы (SO₂) и сероводорода (H₂S), а также упростить их техобслуживание. Поэтому лазер отлично подходит для долгосрочного и стабильного мониторинга компонентов вулканических газов рядом c кратерами вулканов. Среди других перспективных направлений - обнаружение утечек токсичных газов на химических заводах и в канализационных коллекторах, а также измерение параметров атмосферы.

Описание проекта

Как правило, в основе методов прогнозирования извержения вулканов лежит контроль за концентрациями диоксида серы (SO₂) или сероводорода (H₂S) в вулканических газах, которые обычно повышаются за несколько месяцев перед извержением. Поэтому в большинстве исследовательских институтов используются газоанализаторы с электрохимическим сенсором, обнаруживающим газы с помощью электродов. Исследователи устанавливают эти газоанализаторы рядом с вулканическими кратерами для анализа компонентов вулканических газов в режиме реального времени. Однако, так как электроды электрохимических сенсоров работают в контакте с вулканическими газами, это ухудшает их эксплуатационные характеристики и сокращает срок их службы. Кроме того, этим сенсорам требуется постоянное техобслуживание, включая замену деталей, что затрудняет долгосрочный и стабильный мониторинг. С другой стороны, полностью оптические газоанализаторы, использующие долговечные источники света и приёмники излучения, не требуют частого техобслуживания и могут в течение долгого периода времени обеспечивать высокую чувствительность и высокую стабильность работы. Но, как правило, полностью оптические газоанализаторы имеют большой размер, так как источник света занимает много места. Это в значительной степени затрудняет установку таких анализаторов рядом с кратерами вулканов.

Для решения данной проблемы, в рамках проекта «Разработка сенсорных технологий для обнаружения очень слабых сигналов посредством технологий Интернета вещей*¹⁾ при поддержке Организации по разработке новых энергетических и промышленных технологий (NEDO), с 2020 года компания Hamamatsu Photonics и Национальный институт передовой промышленной науки и технологии (AIST) работают над новейшей системой мониторинга вулканических газов, которая представляет собой полностью оптический компактный блок, отличающийся высокой чувствительностью и простотой техобслуживания.

В этом проекте компания Hamamatsu Photonics отвечала за разработку миниатюризованного источника света для газоанализаторов и преуспела в создании самого маленького в мире перестраиваемого квантово-каскадного лазера*³⁾, который способен излучать в средней инфракрасной области*²⁾, при этом изменяя длину волны с высокой скоростью в диапазоне от 7 до 8 мкм. Совмещение этого нового квантово-каскадного лазера с системой управления, разработанной Национальным институтом передовой промышленной науки и технологии (AIST), поможет обеспечить высокое быстродействие и упростит проектирование периферийных схем, что позволит использовать его в качестве источника света для портативных анализаторов. В рамках этого проекта компания Hamamatsu Photonics также работает над увеличением чувствительности анализатора и сокращением частоты техобслуживания с целью обеспечить долгосрочный и стабильный мониторинг рядом с вулканическими кратерами. Другие перспективные области применения включают обнаружение утечек токсичных газов на химических заводах и в канализационных коллекторах, а также измерение параметров атмосферы.

Характеристики нового перестраиваемого квантово-каскадного лазера

Параметр	Значение	Единица измерения
Лазер	Импульсный лазер	-
Диапазон изменения длины волны	7-8	мкм
Спектральное разрешение	Приблиз. 15	нм
Максимальная пиковая выходная мощность	Приблиз. 50	мВт
Размеры (Ш×Г×В)	13 × 30 × 13	мм

 

Текущие результаты разработки

• Самый маленький в мире перестраиваемый квантово-каскадный лазер размером около 1/150 предыдущих изделий

Используя собственную уникальную передовую технологию МЭМС, компания Hamamatsu Photonics полностью изменила МЭМС дифракционную решётку*⁴⁾, занимающую большую часть перестраиваемого квантово-каскадного лазера, и создала инновационную дифракционную решётку, размер которой уменьшен в 10 раз по сравнению с традиционными вариантами. Был также использован небольшой магнит, установленный так, чтобы сократить ненужное пространство при монтаже других компонентов с высокой точностью вплоть до единиц 0,1 мкм. Результатом всех этих усилий стал самый маленький в мире перестраиваемый квантово-каскадный лазер размером около 1/150 предыдущих изделий.

• Излучение в средней инфракрасной области с периодическим изменением длины волны в диапазоне от 7 до 8 мкм

Этот перестраиваемый квантово-каскадный лазер испускает излучение в средней инфракрасной области от 7 до 8 мкм, которое легко поглощается SO₂ и H₂S. Это стало возможным за счёт установки квантово-каскадного лазерного элемента, который был недавно разработан на основе технологии проектирования квантовой структуры *⁵⁾, наработанной в течение многих лет. Одновременно был разработан перестраиваемый квантово-каскадный лазер, способный излучать в средней инфракрасной области на определённой длине волны, которую можно выбирать в диапазоне от 7 до 8 мкм.

• Получение непрерывного спектра средней ИК области

Совмещение этого перестраиваемого квантово-каскадного лазера с системой управления позволяет достигать высокой скорости изменения длины волны, обеспечивая получение непрерывного спектра средней ИК области в течение 20 миллисекунд. За счёт высокой скорости получения спектра можно анализировать быстро изменяющиеся переходные процессы.

Будущее развитие проекта

Компания Hamamatsu Photonics совместно с NEDO и AIST будет продолжать работу над созданием компактной системы мониторинга вулканических газов следующего поколения, оснащённой недавно разработанным перестраиваемым квантово-каскадным лазером. Также будет продолжена работа с демонстрационными экспериментами такими, как многопозиционные наблюдения. Помимо этого, в 2022 году планируется выпуск модульных продуктов, использующих перестраиваемый квантово-каскадный лазер и управляющую схему в сочетании с фотоприёмниками собственного производства, с целью расширения областей применения, связанных с излучением в средней ИК области.

Примечания:

*1: Разработка сенсорных технологий для обнаружения очень слабых сигналов посредством технологий Интернета вещей

Темы НИОКР: Разработка сенсорных технологий для обнаружения очень слабых сигналов посредством технологий Интернета вещей, Достижение инновационной сенсорной технологии, Научно-исследовательские работы в области новейших технологий предотвращения бедствий, используя вулканические газы, с применением перестраиваемого лазера средней ИК области

Описание проекта: https://www.nedo.go.jp/english/activities/activities_ZZJP_100151.html

*2: Излучение в средней инфракрасной области

Излучение в средней инфракрасной области — это излучение с диапазоном длин волн от 4 до 10 мкм.

*3: Перестраиваемый квантово-каскадный лазер

Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) — это полупроводниковые источники лазерного излучения, которые имеют квантовую структуру светоизлучающего слоя, позволяющую генерировать излучение высокой мощности в области от средней до дальней ИК области. Перестраиваемые квантово-каскадные лазеры используют МЭМС дифракционную решётку, которая рассеивает и отражает излучение ККЛ в средней ИК области и испускает излучение в средней ИК области, быстро изменяя длину волны путем электрического управления дифракционной решёткой с целью регулирования её угла на высокой скорости.

*4: МЭМС дифракционная решётка

Сверхминиатюрная дифракционная решётка, которая управляется электрическим током. Дифракционная решётка — это оптический элемент, который разделяет излучение разных длин волны, используя то, что угол преломления отличается в зависимости от длины волны.

*5: Технология проектирования квантовой структуры

Это технология проектирования приборов, которая использует квантовый эффект, возникающий при формовании наноразмерных тонкоплёночных полупроводников. Разработанный перестраиваемый квантово-каскадный лазер использует уникальную структуру AnticrossDAU™ для светоизлучающего слоя лазерного элемента.

Получить более подробную информацию или техническую консультацию по представленной продукции, а также оформить заказ, можно по телефону +7 (812) 245-65-85, электронной почте yeopto@yephotonics.ru или через форму обратной связи в разделе "Контакты".