«Во многих отношениях фотоакустический эффект уже – самый практический метод, доступный для обнаружения загрязнителей в атмосфере», сказал Джеральд Диболд, преподаватель химии в Университете Брауна и соавторе новой статьи, описывающей исследование его лаборатории. «Но когда концентрация молекул, которые Вы пытаетесь обнаружить, переходит к уровню частей за триллион, сигнал становятся слишком слабыми, чтобы обнаружить. Мы развивали новую фотоакустическую технику, которая повышает сигнал и позволяет нам перейти к уровню частей за квадрильон, чтобы к нашему знанию отчет».
Исследование, которое было сотрудничеством между лабораторией Диболда в Брауне и лабораторией Фэпенга Ю в Шаньдунском Университете в Китае, опубликовано на Слушаниях Национальной академии наук.Фотоакустический эффект происходит, когда пучок света поглощен газом, жидкостью или телом, заставляющим его расшириться. Расширение – механическое движение, которое приводит к запуску звуковой волны.
Эффект был сначала обнаружен Александром Грэмом Беллом в 1880-х, но имел мало практической стоимости до изобретения лазера, который – в результате его типично узкого linewidth и большой мощности – сделанный фотоакустическими сигналами, достаточно большими, чтобы быть легко обнаружимым.Фотоакустические датчики работают, убивая материал с лазером, настроенным на длину волны, которая поглощена молекулой интереса. В типичном фотоакустическом эксперименте лазерный луч включен и выключен на частоте, которая может быть обнаружена чувствительным микрофоном, чтобы прислушаться к любым произведенным звуковым волнам.
Различные молекулы поглощают свет на различных частотах, таким образом, регулируя частоту лазера, возможно точно настроить датчик для определенных веществ. Таким образом, чтобы искать аммиак в воздухе, например, лазер был бы настроен на определенную поглотительную частоту молекул аммиака.
Можно было бы тогда убить воздушный образец, и если микрофон берет звуковые волны, который означает, что образец содержит аммиак.Но чем меньший концентрация целевого вещества, тем более тихий сигнал. Таким образом, Diebold и его коллеги использовали нетрадиционную технику, чтобы повысить амплитуду сигнала.
«Что мы сделали, завещание метод, который полагается на три различных резонанса», сказал Диболд. «Сигнал становится больше с каждым резонансом».Вместо единственного лазерного луча Diebold и его коллеги объединяют два луча на определенной частоте и углу. Присоединение лучей создает трение – образец вмешательства между двумя лучами. Когда лазерные частоты настроены просто право, скрипучие путешествия в клетке обнаружения на скорости звука, создав эффект увеличения на каждом из пиков в трении.
Второй резонанс создан пьезоэлектрическим кристаллом, используемым в эксперименте, который вибрирует точно на частоте объединенных лазерных лучей. Маленькая прочность на сжатие в волнах давления постепенно вызывает движение в кристалле очень таким же образом, что маленькие, повторные толчки колебания детской площадки могут вызвать большое движение амплитуды колебания.
Третий резонанс произведен, регулируя длину впадины, в которой установлен кристалл так, чтобы это резонировало, когда составное количество половины длин волны звука точно соответствует длине впадины. Добычу кристалла, который является пьезоэлектрическим так, чтобы это произвело напряжение, пропорциональное его колебательному движению, посылают в усилители и чувствительные электронные устройства, чтобы сделать запись акустического сигнала.
«Одна из причин, что перемещение скрипучий метод работало так хорошо, – то, что группа профессора Ю в Шаньдунском Университете вырастила специальный кристалл, который дает очень большие сигналы в ответ на волны давления», сказал Диболд. «Нам сказали, что им потребовались три месяца, чтобы синтезировать кристалл».В их экспериментах исследователи показали, что при помощи тех трех резонансов, они смогли обнаружить газовый гексафторид серы в суммах вниз к частям за квадрильон.
Диболд думает, что техника будет полезна в развивающихся датчиках, которые чувствительны к очень низким концентрациям газа загрязнителя, или для обнаружения молекул, у которых есть слабые поглощения, которые делают их неотъемлемо трудными обнаружить.Диболд отметил, что в проведении экспериментов, он и его коллеги были «поражены найти что, потому что частоты так высоки – в сотнях диапазона килогерца – что нет фактически никакого второстепенного вмешательства, или из электрических источников или из слухового аппарата от шума помещения, ветра или колебаний здания. Это означает, что мы можем сделать эксперименты в открытой впадине, не имея необходимость блокировать внешний шум.
Таким образом, если у Вас есть закапывание мусора, и Вы пытаетесь обнаружить метан, например, Вы просто берете этот датчик, сидите он там в открытой площадке и непрерывно контролируете продукцию».Там остается некоторой работой над разработкой компактный инструмент, прежде чем эта техника сможет использоваться на открытом воздухе, но это исследование предлагает убедительное доказательство понятия, говорят исследователи.