Старший научный сотрудник лаборатории «Квантовая инженерия света» ЮУрГУ Анна Патерова опубликовала вместе с соавторами из Сингапура статью, посвящённую обнаружению малых концентраций газа с помощью измерения спектров поглощения в инфракрасной (ИК) области спектра. Материал вышел в журнале Advanced Quantum Technologies, входящем в первый квартиль Scopus.
Измерение малых концентраций газов необходимо в различных областях науки – в медицине, в экологии окружающей среды, а также в промышленности. Традиционно исследуемая среда, содержащая газ, помещается в ячейку, через которую проводят источник инфракрасного излучения. Излучение регистрируется ИК-детекторами и проводится анализ взаимодействия газа со светом. А именно речь о поглощении (ослаблении) света, по которому можно оценить концентрацию газа в среде. Однако чувствительность этих методов иногда снижается из-за тепловых, оптических и механических помех.
Перечисленные трудности можно преодолеть, используя возможности квантовой и нелинейной оптики. Альтернативой схемам с прямой регистрацией ИК-света является метод нелинейной интерферометрии. Этот подход позволяет изучать ИК-свойства образцов, анализируя видимый свет.
Заметим, что ИК-датчики не дёшевы, так что анализ видимого света – путь более экономный.
Авторы статьи модернизировали метод нелинейной интерферометрии. Их установка состоит из длинного оптоволокна с полой сердцевиной, используемой в качестве газовой ячейки – туда и помещается анализируемое вещество. Использование длинных волокон с полой сердцевиной позволяет значительно улучшить чувствительность измерений.
В статье авторы описали проведённый эксперимент по обнаружению метана. Зондирование метана проводилось на длине волны 3307 нанометров в ИК-диапазоне, хотя на самом деле регистрация сигнала велась на длине волны 634 нанометров в видимом диапазоне.
Измерения проводились в оптоволокне с полой сердцевиной длиной 53 см, учёным удалось добиться чувствительности обнаружения концентрации 0,02% на метр. Авторы статьи намерены ещё улучшить этот показатель.