• Home
  • Chimie
  • Astronomie
  • Énergie
  • La nature
  • Biologie
  • Physique
  • Électronique
  •  science >> Science >  >> Physique
    Le dispositif laser à détection de gaz obtient une mise à niveau

    une, Montage expérimental pour TCS. PD, photodétecteur. b, La génération d'un signal FWM. La première impulsion du peigne 1 (bleu), qui est une impulsion conjuguée en phase complexe (E1*), crée une cohérence entre l'état fondamental et un état excité (l'évolution pour une seule résonance est représentée en bleu clair) ; la deuxième impulsion du peigne 2 (noir) convertit cette cohérence en une population de l'état excité puis convertit cette population en une cohérence de troisième ordre qui rayonne un signal FWM, qui pour un système élargi de manière non homogène est un écho de photons (rouge). Le signal FWM est ensuite hétérodyné avec le peigne de l'oscillateur local. E1*, E2 et E3 sont les champs électriques des impulsions 1, 2 et 3, respectivement. e et g correspondent aux états fondamental et excité d'un système à deux niveaux. Crédit: Photonique de la nature (2018). DOI :10.1038/s41566-018-0267-4

    Des chercheurs de l'Université du Michigan ont perfectionné un dispositif de reniflage de gaz afin qu'il puisse détecter les gaz toxiques et les explosifs en moins d'une demi-seconde.

    La méthode laser pourrait être utilisée comme dispositif de sécurité dans les aéroports ou pour surveiller les polluants ou les toxines dans l'environnement. Les découvertes des physiciens s'appuient sur une méthode qu'ils ont développée l'année dernière et qui détecte les gaz en quatre ou cinq minutes environ. L'appareil actuel utilise trois lasers pour raccourcir considérablement le temps de détection. Leurs recherches mises à jour sont publiées dans Photonique de la nature .

    "Le gros avantage est que vous pouvez faire cette détection avec une méthode beaucoup plus simple, beaucoup plus compact, appareil beaucoup plus robuste, et en même temps, vous pouvez faire cette détection beaucoup plus rapidement et avec beaucoup moins de temps d'acquisition, " a déclaré Steven Cundiff, l'auteur principal du projet et le professeur Harrison M. Randall de physique au Collège de littérature, Science, et les Arts.

    « Ceci est essentiel pour rendre l'appareil pratique. Si vous surveillez l'environnement, vous devez le faire assez rapidement en raison des fluctuations de l'environnement. Vous ne voulez pas attendre cinq minutes pour savoir si quelque chose contient une toxine."

    Les gaz ont certaines longueurs d'onde qui peuvent être lues à l'aide de lasers. Le premier appareil de Cundiff et de la chercheuse en physique Bachana Lomsadze a utilisé une méthode appelée « spectroscopie cohérente multidimensionnelle, " ou MDCS. MDCS utilise des impulsions laser ultracourtes pour lire ces longueurs d'onde comme des codes à barres. La longueur d'onde particulière d'un gaz identifie le type de gaz dont il s'agit.

    De nombreux gaz ont un spectre très riche pour certaines longueurs d'onde, ou couleurs, de lumière, bien que les "couleurs" puissent en fait être dans l'infrarouge, donc pas visible à l'oeil humain. Ces spectres les rendent facilement identifiables. Mais cela devient difficile lorsque les scientifiques tentent d'identifier des gaz dans un mélange. Autrefois, les scientifiques comptaient sur la vérification de leurs mesures par rapport à un catalogue de molécules, un processus qui nécessite des ordinateurs hautes performances et une quantité de temps importante.

    La méthode précédente de Cundiff utilisait le MDCS avec une autre méthode appelée spectroscopie à double peigne pour réduire le temps de détection à quatre ou cinq minutes. Les peignes de fréquence sont des sources laser qui génèrent des spectres constitués de lignes nettes équidistantes. Ces raies servent de règles pour mesurer les caractéristiques spectrales des atomes et des molécules, les identifier avec une extrême précision. En spectroscopie double peigne, les lasers envoient des impulsions lumineuses selon différents modèles afin de rechercher rapidement les empreintes digitales des gaz.

    Maintenant, Cundiff et Lomsadze ont ajouté une autre couche de détection laser pour réduire encore plus ce temps de détection, en utilisant une méthode qu'ils ont surnommée « spectroscopie à trois peignes ». C'est aussi la première fois que la spectroscopie tri peigne est démontrée, dit Cundiff.

    Le groupe de recherche a ajouté un troisième laser et a associé les lasers à un logiciel capable de programmer le motif des impulsions lumineuses émises par les lasers. Les lasers sont synchronisés les uns avec les autres pour générer des impulsions lumineuses afin que les lasers balayent constamment pour identifier les gaz.

    Voici comment fonctionne l'appareil :Deux lasers envoient des impulsions lumineuses dans la même direction qui se combinent en un seul faisceau. Ce faisceau traverse une vapeur de gaz, et après que le faisceau traverse la vapeur, il est combiné avec le faisceau d'un troisième laser. Puis, le faisceau final frappe un détecteur de signal qui mesure les spectres du mélange gazeux et identifie les gaz. Alors que cette démonstration utilisait des lasers « faits maison » qui ne sont pas particulièrement compacts ou robustes, les lasers équivalents disponibles dans le commerce mesurent environ 10 pouces par quatre pouces par deux pouces.

    Semblable à leur travail de l'année dernière, Lomsadze et Cundiff ont testé leur méthode dans une vapeur d'atomes de rubidium contenant deux isotopes de rubidium. La différence de fréquence entre les raies d'absorption pour les deux isotopes est trop petite pour être observée en utilisant les approches traditionnelles de MDCS, mais en utilisant des peignes, Lomsadze et Cundiff ont pu résoudre ces raies et attribuer les spectres des isotopes en fonction de la manière dont les niveaux d'énergie étaient couplés les uns aux autres. Leur méthode est générale et peut être utilisée pour identifier des produits chimiques dans un mélange sans connaître au préalable la composition du mélange.

    Cundiff espère implémenter le dispositif dans la technologie de fibre optique existante, et contrôler les impulsions laser avec un logiciel. De cette façon, le logiciel peut être adapté à des environnements particuliers.

    "C'est un pas vers l'objectif de la spectroscopie reconfigurable par logiciel, " a déclaré Cundiff. " Ceci est similaire à la technologie radio reconfigurable par logiciel, dans lequel le même matériel peut être utilisé pour différentes applications, comme un téléphone portable ou un récepteur FM, simplement en chargeant différents logiciels."

    © Science https://fr.scienceaq.com