Ulepszone wykrywanie gazów z użyciem lasera
Za cel finansowanego przez UE projektu MICEPAS MIR-EC-QCL (Novel miniaturized photoacoustic cell integrated with compact mid-infrared widely-tunable laser for gas-detection applications) przyjęto opracowanie tańszego i skuteczniejszego wykrywacza gazów z wykorzystaniem spektroskopii laserowej. Naukowcy zintegrowali nowatorskie, zminiaturyzowane rezonansowe ogniwo fotoakustyczne z kwantowym laserem kaskadowym (QCL) o zewnętrznej wnęce (EC) pracującym w zakresie średniej podczerwieni, tworząc kompaktowy fotoakustyczny wykrywacz gazów. Możliwości wykrywacza pokazano podczas serii doświadczeń laboratoryjnych. Badacze zoptymalizowali konstrukcję wnęki w celu minimalizacji rozmiarów przy jednoczesnym utrzymaniu pracy na wybranej częstotliwości rezonansowej. W pełni zoptymalizowane ogniwo rezonansowe nie ma żadnego tła okna (sygnału powstającego wewnątrz ogniwa w wyniku pochłaniania i odbijania wiązki świetlnej przez okna ogniwa), niezależnie od stosowanej metody modulacji. Ogniwo wolne od sygnału tła umożliwia wykrywanie dowolnego związku aktywnego w podczerwieni, a dodatkowo można je łatwo przystosować do dowolnej średnicy wiązki i częstotliwości modulacji lasera. Pomimo niewielkich rozmiarów zminiaturyzowane ogniwo daje wyniki porównywalne z pełnowymiarowym. Zbudowano i przetestowano kilka prototypów wykrywacza do różnorodnych zastosowań. Każdy z prototypów miał te same podstawowe elementy: układ laserowy, odpowiednio zaprojektowaną wnękę lasera i ogniwo fotoakustyczne. Umieszczenie ogniwa fotoakustycznego we wnęce lasera pozwoliło znacznie zwiększyć czułość wykrywania gazów. Podczas demonstracji wykazano, że wewnątrzwnękowy fotoakustyczny wykrywacz gazów EC-QCL może też pełnić funkcję niezwykle czułego higrometru umożliwiającego analizowanie izotopów w parze wodnej. Prototyp może zatem posłużyć za podstawę dla ulepszonych wersji tanich wykrywaczy gazu o różnorodnych zastosowaniach praktycznych. Dokładne, niezawodne i opłacalne wykrywacze opracowane w ramach projektu MICEPAS MIR-EC-QCL mogą znaleźć zastosowanie w lokalnych analizach zawartości licznych związków w powietrzu atmosferycznym, między innymi przy monitorowaniu zanieczyszczeń powietrza i składu spalin, sterowaniu procesami przemysłowymi i wykrywaniu wycieków. Duża czułość wykrywaczy umożliwia też używanie ich do wykrywania gazów emitowanych w wyniku reakcji metabolicznych w organizmach żywych.
Słowa kluczowe
Wykrywanie gazów, spektroskopia laserowa, MICEPAS MIR-EC-QCL, ogniwo fotoakustyczne, kwantowy laser kaskadowy o zewnętrznej wnęce
