В качестве следующего шага исследователи планируют изучить ограничения новой технологии, чтобы определить ее максимальную скорость и минимальную сенсорную концентрацию. Они также хотят использовать его для обнаружения нескольких газов, в идеале одновременно.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали трюк под названием «когерентный контроль». Это включало сдвиг времени импульсов ровно на половину цикла колебаний вилки, при этом выходная мощность лазера оставалась на той же частоте.
Исследователи из Optica сообщают, что им удалось получить полный спектр метана в диапазоне от 3050 до 3450 нанометров всего за три секунды, что обычно занимает около 30 минут.
Исследователи разработали новый метод быстрого обнаружения и идентификации очень низких концентраций газов. Новый подход, получивший название фотоакустическая спектроскопия с когерентным кварцевым усилением, может стать основой для высокочувствительных датчиков реального времени для таких приложений, как мониторинг окружающей среды, анализ дыхания и контроль химических процессов.
Добавление согласованного управления
Спектроскопия идентифицирует химические вещества, в том числе газы, путем анализа их уникальных характеристик светопоглощения, напоминающих «отпечаток пальца» для каждого газа. Однако для быстрого обнаружения низких концентраций газа требуется не только лазер, который можно быстро настраивать, но также чрезвычайно чувствительный механизм обнаружения и точный электронный контроль синхронизации лазера.
«Хотя высокая добротность камертона, заставляющая его звучать в течение длительного времени, позволяет нам обнаруживать низкие концентрации посредством того, что ученые называют резонансным усилением, это ограничивает скорость сбора данных», — объяснил Ангстенбергер. «Это потому, что когда мы меняем длину волны, чтобы получить отпечаток молекулы, вилка все еще движется. Чтобы измерить следующую характеристику, мы должны каким-то образом остановить движение».
В этом методе спектроскопии используется кварцевый камертон для обнаружения поглощения газа путем электронного измерения его колебаний на резонансной частоте 12 420 Гц, индуцированных лазером, модулированным на той же частоте. Лазер нагревает газ между зубцами вилки быстрыми импульсами, заставляя их двигаться и генерируя заметное пьезоэлектрическое напряжение.
Исследователи протестировали новый метод, используя лазер, разработанный Stuttgart Instruments, и коммерчески доступную газовую ячейку QEPAS для анализа предварительно калиброванной метановой смеси с концентрацией метана в газовой ячейке 100 частей на миллион. Они показали, что при обычном QEPAS слишком быстрое сканирование размывает спектральный отпечаток, но при когерентном методе контроля он остается четким и неизменным.
В новой работе исследователи использовали лазер с чрезвычайно быстрой перестройкой длины волны, который недавно был разработан сотрудниками Stuttgart Instruments GmbH, дочерней компании университета. Они также использовали кварцевую фотоакустическую спектроскопию (QEPAS) в качестве чувствительного механизма обнаружения.
