Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben een gassnuivend apparaat verfijnd, zodat het giftige gassen en explosieven in minder dan een halve seconde kan detecteren.

De op laser gebaseerde methode kan worden gebruikt als beveiligingsapparaat op luchthavens of om te controleren op verontreinigende stoffen of gifstoffen in het milieu. De bevindingen van de natuurkundigen bouwen voort op een methode die ze vorig jaar ontwikkelden en die gassen in ongeveer vier of vijf minuten detecteert. Het huidige apparaat gebruikt drie lasers om de detectietijd aanzienlijk te verkorten. Hun bijgewerkte onderzoek is gepubliceerd in Natuurfotonica .

"Het grote voordeel is dat je deze detectie kunt doen met een veel eenvoudiger, veel compacter, veel robuuster apparaat, en op hetzelfde moment, u kunt deze detectie veel sneller en met veel minder acquisitietijd doen, " zei Steven Cundiff, de hoofdauteur van het project en de Harrison M. Randall Professor of Physics in the College of Literature, Wetenschap, en de Kunsten.

"Dit is van cruciaal belang om het apparaat praktisch te maken. Als u de omgeving in de gaten houdt, je moet het redelijk snel doen vanwege schommelingen in de omgeving. Je wilt geen vijf minuten wachten om erachter te komen of er een gif in zit."

Gassen hebben bepaalde golflengten die met lasers kunnen worden gelezen. Cundiff en natuurkundig onderzoeker Bachana Lomsadze's eerste apparaat gebruikte een methode genaamd "multidimensionale coherente spectroscopie, " of MDCS. MDCS gebruikt ultrakorte laserpulsen om deze golflengten als streepjescodes te lezen. De specifieke golflengte van een gas identificeert het type gas dat het is.

Veel gassen hebben een zeer rijk spectrum voor bepaalde golflengten, of kleuren, van licht - hoewel de "kleuren" eigenlijk in het infrarood kunnen zijn, dus niet zichtbaar voor het menselijk oog. Deze spectra maken ze gemakkelijk herkenbaar. Maar dit wordt moeilijk wanneer wetenschappers gassen in een mengsel proberen te identificeren. Vroeger, wetenschappers vertrouwden op het controleren van hun metingen aan de hand van een catalogus van moleculen, een proces dat krachtige computers en een aanzienlijke hoeveelheid tijd vereist.

De vorige methode van Cundiff gebruikte MDCS met een andere methode, dual-comb spectroscopie genaamd, om de detectietijd te verkorten tot die vier of vijf minuten. Frequentiekammen zijn laserbronnen die spectra genereren die bestaan ​​uit op gelijke afstand van elkaar gelegen scherpe lijnen. Deze lijnen worden gebruikt als regels om de spectrale kenmerken van atomen en moleculen te meten, ze met uiterste precisie te identificeren. Bij dual-kam spectroscopie, de lasers zenden lichtpulsen in verschillende patronen uit om snel te scannen op de vingerafdrukken van gassen.

Nutsvoorzieningen, Cundiff en Lomsadze hebben een nieuwe laag laserdetectie toegevoegd om die detectietijd nog verder te verkorten, met behulp van een methode die ze "tri-kam spectroscopie" hebben genoemd. Dit is ook de eerste keer dat tri-kam spectroscopie is aangetoond, zegt Cundiff.

De onderzoeksgroep voegde een derde laser toe en koppelde de lasers aan software die het patroon van lichtpulsen dat de lasers uitzenden kan programmeren. De lasers zijn met elkaar gesynchroniseerd om lichtpulsen te genereren, zodat de lasers constant scannen om gassen te identificeren.

Dit is hoe het apparaat werkt:twee lasers sturen lichtpulsen in dezelfde richting die samenkomen in een enkele straal. Deze bundel gaat door een gasdamp, en nadat de straal door de damp is gegaan, het wordt gecombineerd met de straal van een derde laser. Vervolgens, de laatste straal raakt een signaaldetector die de spectra van het gasmengsel meet en de gassen identificeert. Hoewel bij deze demonstratie gebruik werd gemaakt van "zelfgebouwde" lasers die niet bijzonder compact of robuust zijn, equivalente in de handel verkrijgbare lasers meten ongeveer 10 inch bij 4 inch bij 2 inch.

Net als bij hun werk vorig jaar, Lomsadze en Cundiff testten hun methode in een damp van rubidium-atomen die twee rubidium-isotopen bevatte. Het frequentieverschil tussen absorptielijnen voor de twee isotopen is te klein om waar te nemen met traditionele benaderingen van MDCS, maar door kammen te gebruiken, Lomsadze en Cundiff waren in staat om deze lijnen op te lossen en de spectra van de isotopen toe te wijzen op basis van hoe de energieniveaus aan elkaar waren gekoppeld. Hun methode is algemeen en kan worden gebruikt om chemicaliën in een mengsel te identificeren zonder vooraf de samenstelling van het mengsel te kennen.

Cundiff hoopt het apparaat te implementeren in bestaande glasvezeltechnologie, en het besturen van de laserpulsen met software. Op die manier, de software kan worden aangepast aan bepaalde omgevingen.

"Dit is een stap in de richting van het doel van software-herconfigureerbare spectroscopie, "Zei Cundiff. "Dit is vergelijkbaar met software herconfigureerbare radiotechnologie, waarin dezelfde hardware voor verschillende toepassingen kan worden gebruikt, zoals een mobiele telefoon of een FM-ontvanger, gewoon door verschillende software te laden."