Исследователи усовершенствовали распознавание газов

Люди распознают различные запахи благодаря химическим рецепторам в носу. А технологии обнаружения газов используют массу различных доступных методов.

Один из таких способов задействует инфракрасные лазеры, пропускающие лазерный луч через газ к прилегающему датчику, который измеряет степень затухания света.

И вот новый крошечный датчик совместил в себе две способности, благодаря чему отныне можно использовать одну и ту же микроскопическую структуру для выпускания и улавливания инфракрасного излучения.

Квантово-каскадные лазеры

— Производимые нами лазеры далеко ушли от лазерных указок, пояснил Рольф Жедлак из Института твердотельной электроники в университете Вены. — Мы создали квантово-каскадные лазеры. Они сделаны из сложной многослойной системы, из различных материалов, и испускают свет в инфракрасном диапазоне.

Когда к многослойной системе применили напряжение,сквозь лазер прошли электроны. Точно подобранные материалы и толщина слоев вынуждают электроны терять часть энергии во время перехода с одного слоя на другой. Эта энергия выделяется в форме света и создает инфракрасный лазерный луч.

— Наши квантово-каскадные лазеры — циркулярные, с диаметром менее 0,5 миллиметра, сообщил профессор Готтфрид Штрассер, руководитель Центра микро и наноструктур университета. — Это геометрическое свойство помогает убедиться, что лазер испускает свет со строго определенной длиной волны.

Это важно для химического анализа газов, поскольку многие газы поглощают весьма специфическое количество инфракрасного света, добавил профессор Бернхард Ленди из Института химических технологий и аналитики университета. Именно потому газы можно будет легко идентифицировать по их индивидуальному инфракрасному следу. Процесс требует наличия лазера с нужной длиной волны и датчика, который измеряет количество инфракрасного излучения, поглощенного газом.

Лазерный датчик

— Наша микроскопическая структура уникальна тем, что одновременно является лазером и датчиком, заявил профессор Жедлак.

Для этого используются два концентрических квантово-каскадных кольца, которые одновременно способны излучать и улавливать свет, даже если происходит все на двух немного отличных длинах волн.

Сначала одно кольцо излучает лазер, который проходит сквозь газ и отражается обратно зеркалом. Встречает лазер уже другое кольцо, которое измеряет его мощность.

Сразу после этого два кольца меняются ролями и производят следующее измерение.

Тестируя новую форму датчика, венские ученые столкнулись с архисложной проблемой: им потребовалось разделить изобутен и изобутан — две молекулы, которые помимо похожих названий обладают весьма подобными химическими свойствами. датчики прошли этот тест на ура, идентифицируя оба газа.

— Сочетание лазера и датчика в одном дает много преимуществ, заключил Штрассер. — Датчики могут быть весьма компактными, а на одном микрочипе может поместиться целая группа таких датчиков, чтобы управлять различными длинами волн одновременно.

Применение технологии практически неисчерпаемое, от экологии до медицины.

Результаты опубликованы в издании ASC Photonics.

24.10.2016