«Во многих отношениях фотоакустический эффект уже является наиболее практичным методом обнаружения загрязнителей в атмосфере», — сказал Джеральд Диболд, профессор химии в Университете Брауна и соавтор новой статьи, описывающей исследования его лаборатории. «Но когда концентрация молекул, которые вы пытаетесь обнаружить, падает до уровня частей на триллион, сигнал становится слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить. Мы разработали новую фотоакустическую технику, которая усиливает сигнал и позволяет нам получать вплоть до уровня частей на квадриллион, который, насколько нам известно, является рекордом ".Исследование, проведенное в сотрудничестве между лабораторией Diebold в Брауне и лабораторией Фапенг Ю в Шаньдунском университете в Китае, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.Фотоакустический эффект возникает, когда луч света поглощается газом, жидкостью или твердым телом, вызывая его расширение.
Расширение — это механическое движение, в результате которого возникает звуковая волна. Эффект был впервые обнаружен Александром Грэмом Беллом в 1880-х годах, но не имел практического значения до изобретения лазера, который из-за типично узкой ширины линии и высокой мощности сделал фотоакустические сигналы достаточно большими, чтобы их можно было легко обнаружить. .Фотоакустические детекторы работают путем захвата материала лазером, настроенным на длину волны, которая поглощается интересующей молекулой.
В типичном фотоакустическом эксперименте лазерный луч включается и выключается с частотой, которая может быть обнаружена чувствительным микрофоном для прослушивания любых производимых звуковых волн. Различные молекулы поглощают свет на разных частотах, поэтому, регулируя частоту лазера, можно точно настроить детектор для конкретных веществ. Так, например, для поиска аммиака в воздухе лазер должен быть настроен на определенную частоту поглощения молекул аммиака.
Затем можно взять образец воздуха, и если микрофон улавливает звуковые волны, это означает, что образец содержит аммиак.Но чем меньше концентрация целевого вещества, тем тише сигнал. Поэтому Дибольд и его коллеги использовали нетрадиционную технику для увеличения амплитуды сигнала.«Мы разработали метод, основанный на трех различных резонансах», — сказал Диболд. «Сигнал становится больше с каждым резонансом».
Вместо одного лазерного луча Диболд и его коллеги объединяют два луча с определенной частотой и углом. Соединение лучей создает решетку — узор интерференции между двумя лучами. Когда частоты лазера настроены правильно, решетка перемещается в ячейке детектирования со скоростью звука, создавая эффект усиления на каждом из пиков решетки.Второй резонанс создается пьезоэлектрическим кристаллом, используемым в эксперименте, который колеблется точно на частоте комбинированных лазерных лучей.
Небольшие сжимающие силы в волнах давления постепенно вызывают движение в кристалле так же, как небольшие повторяющиеся толчки качелей на игровой площадке могут вызывать движение качелей с большой амплитудой.Третий резонанс создается путем регулировки длины полости, в которой установлен кристалл, так, чтобы он резонировал, когда целое число полуволн звука точно совпадает с длиной резонатора. Выходной сигнал кристалла, который является пьезоэлектрическим, так что он генерирует напряжение, пропорциональное его колебательному движению, отправляется на усилители и чувствительные электронные устройства для записи акустического сигнала.«Одна из причин, по которой метод движущейся решетки работал так хорошо, заключается в том, что группа профессора Ю из Шаньдунского университета вырастила специальный кристалл, который дает очень сильные сигналы в ответ на волны давления», — сказал Диболд. «Нам сказали, что им потребовалось три месяца, чтобы синтезировать кристалл».
В своих экспериментах исследователи показали, что, используя эти три резонанса, они смогли обнаружить газообразный гексафторид серы в количествах вплоть до частей на квадриллион.Диболд считает, что этот метод будет полезен при разработке детекторов, чувствительных к очень низким концентрациям загрязняющих газов, или для обнаружения молекул со слабым поглощением, что затрудняет их обнаружение.Диболд отметил, что при проведении экспериментов он и его коллеги были «удивлены, обнаружив, что из-за столь высоких частот — в диапазоне сотен килогерц — практически отсутствуют фоновые помехи ни от электрических источников, ни от акустических источников. от шума в помещении, ветра или вибрации здания. Это означает, что мы можем проводить эксперименты в открытой полости, не блокируя внешний шум.
Так что, если у вас есть свалка и вы пытаетесь обнаружить метан, например, вы просто возьмете это детектор, сядьте на открытом воздухе и постоянно следите за выходом ".До того, как эту технику можно будет использовать на открытом воздухе, еще предстоит разработать компактный инструмент, но это исследование предлагает убедительное доказательство концепции, говорят исследователи.