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可探测甲烷的硅光子光谱仪问世

发布时间:2021-09-24 人气:

本文摘要:据麦姆斯咨询报导,IBM研究人员已研制出吸收光谱平台,可以扩展到红外光谱“指纹区”。IBM公司ThomasJ.Watson研究中心的团队展出了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪,对甲烷的观测灵敏度约100ppm。该平台使用光纤相连1650nm半导体激光器和砷化镓铟(InGaAs)近红外探测器来观测甲烷浓度,并用于可回声二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)。 这种方式为未来用作气体外泄检测和废气偷排监测等应用于获取低成本、高灵敏度的甲烷探测器解决方案。

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据麦姆斯咨询报导,IBM研究人员已研制出吸收光谱平台,可以扩展到红外光谱“指纹区”。IBM公司ThomasJ.Watson研究中心的团队展出了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪,对甲烷的观测灵敏度约100ppm。该平台使用光纤相连1650nm半导体激光器和砷化镓铟(InGaAs)近红外探测器来观测甲烷浓度,并用于可回声二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)。

这种方式为未来用作气体外泄检测和废气偷排监测等应用于获取低成本、高灵敏度的甲烷探测器解决方案。IBM研究人员指出,光谱范围可以借此红外扩展到8um波长区域,也就是能观测到分子振动的“指纹区”,因此潜在应用于范围显得更为普遍了。

在刚出版发行的Optica论文中,团队谈及“研究结果表明,我们有潜力获取可以量产的、低成本的构建光子芯片传感器,并符合大气中气体成分和污染物测量对灵敏度和分子特性拒绝。”可扩展性问题最先进设备的TDLAS系统早已证明了其观测ppm级气体的能力,手持式设备使用方便,但生产的可扩展性比较缺少,因此目前想在大型网络更加普遍地部署有可玩性。IBM团队的首席研究员WilliamGreen回应,“该方法用于了为光通信应用于研发的元器件,对目前数万美元成本的甲烷传感光谱仪来讲,成本大幅度减少。

此外,由于没运动部件,也没准确温度控制的基本拒绝,这种传感器可以运营多年且完全不必须确保。”典型的用户有可能还包括石油和天然气公司,他们需要立刻找到和测量外泄,而仍然倚赖常规的专业检查。“在天然气铁矿和传输过程中,当油井设备故障、阀门卡住或管道经常出现裂纹时,甲烷不会外泄到空气中,”Green补足道,“我们正在开发方法来用于这种芯片级光谱创立传感器网络,例如可以产于在井场网络。

这些传感器的数据由IBM的物理分析软件处置,能自动查明外泄的方位,并分析外泄量。”虽然甲烷只是包含地球大气层的气体混合物中较小的一部分,但它的温室效应相比之下优于我们耳熟能详的二氧化碳。据联合国世界气象组织(WMO)的数据,后者的浓度早已下降到800000年来的最低水平。

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WMO在10月30日公布的《温室气体公报》中也提及甲烷浓度早已下降到1853ppb,比起1984年的1650ppb水平有所下降,比起工业革命前的水平早已减少两倍。倏逝场IBM团队的光谱仪设计用于了从长度为10厘米但十分较宽的硅波导中逸出的倏逝光,来观测甲烷周围的空气。

过去曾使用倏逝波的方法来监测火山气体,其中混合物浓度可以伴随火山将要火山爆发的可能性,还可以用作找到人体呼出有气体中细菌感染的迹象。IBM团队的EricZhang说明:“尽管硅光子学系统,特别是在用于折射率变化的传感方法,我们早已求证过。我们工作的创意之处是用于此系统从低浓度甲烷中检测出有弱的吸取信号,以及我们这套传感器芯片对噪声的全面分析和低于的检测缩。”目前IBM的这套装置用光纤相连,但并没将激光器或探测器构建到芯片中。

该团队正在朝着中止光纤并研发一套几乎构建装置的方向希望。Green在一份声明中称之为:“我们的工作指出所有在硅光子生产、PCB的科学知识和元器件设计都可以用作光学传感器,原则是用这些技术创立限于于全新应用于的量产、低成本的传感器。”从他们的期刊论文结论中可以告诉,IBM团队指出光谱仪可以扩展到近红外以外的波长区,他们是这么写出的:“事实上,新的波导结构可以防止隐埋氧化物吸取,硅的透明度约8μm,这样光谱仪就限于于中红外范围的分子,芯片级硅光子构建传感器沦为用作宽频带上、多组分检测的使能平台。


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