Bakåtriktad lasring för fjärranalys
- Diarienummer
- ITM17-0309
- Start- och slutdatum
- 190101-230630
- Beviljat belopp
- 7 223 149 kr
- Förvaltande organisation
- Lund University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Det finns ett stort behov för känsliga mätmetoder kapabla att mäta på prover som är belägna på avstånd, dvs. så kallade fjärranalystekniker. Sådana tekniker är utomordentligt viktiga inom en rad forskningsområden, t.ex. atmosfärsvetenskap, plasma- och förbränningskemi, men även för industriella tillämpningar och inom säkerhetsområdet. Syftet med det föreslagna projektet är att utveckla optiska fjärranalystekniker som bygger på bakåtriktad laserverkan, dvs. en spegellös laser med någon konstituent i den omgivande gasen som aktivt medium. Två olika huvudkoncept kommer att användas: 2-foton-pumpad stimulerad emission i atomer samt filamentering utnyttjande femtosekund-laser-pulser. Det är uppenbart att bakåtriktad lasring har potential att revolutionera hela fjärranalysområdet eftersom den skulle kunna innebära drastiskt högre detektionskänslighet i jämförelse med laser-radar (LIDAR), dvs. den teknik som för närvarande används. Eftersom signalen genereras som en båkåtriktad laserstråle öppnas unika möjligheter för studier inuti anläggningar som bara har en optisk port. Målsättningen är således att utveckla bakåtriktad lasring från dess nuvarande status, som huvudsakligen ett akademiskt grundforskningsområde, till mättekniker kapabla att på avstånd detektera ämnen, t.ex. luftföroreningar, atomer och molekyler i flammor, samt gasläckage på pipelines och spårämnen associerade med t.ex. sprängämnen eller andra farliga substanser.
Populärvetenskaplig beskrivning
Alltsedan den uppfanns på 1960-talet har lasern funnit nya användningsområden, och är idag till mycket stor nytta inom forskning, industri och samhälle. I de flesta lasertillämpningar, t.ex. materialbearbetning, kan lasern placeras mycket nära arbetsområdet. Det finns dock många viktiga tillämpningsområden där detta är problematiskt. Om man t.ex. vill använda lasern för att studera ett område i atmosfären skulle den i så fall behöva placeras bakom mätområdet så att laserstrålen kan penetrera igenom detta område och nå en detektor på marken. Även om detta i princip är möjligt så är konceptet förenat med betydande begränsningar, tekniska utmaningar och höga kostnader. Istället bygger dagens atmosfärsforskning på optiska tekniker där en laser placerad på marken sänder ut en stråle riktad mot mätområdet, varpå en detektor, även den placerad på marken, registrerar det laserljus som spritts mot molekyler och partiklar i atmosfären, så kallad laser-radar-teknik. Den stora begränsningen med laser-radar tekniken är att laserljuset då det träffar en luftpartikel väsentligen sprids lika mycket i alla riktningar, vilket gör att en extremt liten andel av det spridda ljuset når detektorn. Dessutom minskar denna andel kvadratiskt med avståndet till mätpunkten. Detta är givetvis negativt för detektionskänsligheten och begränsar därmed mätmöjligheterna avsevärt. Inom detta projekt har vi för avsikt att överbrygga denna fundamentala begränsning. Detta skulle kunna göras genom att utnyttja att det är möjligt att generera laserverkan i luft (eller andra gaser). Istället för att analysera den svaga bakåtspridningen kommer signalen genereras i form av en laserlik stråle i bakåtriktningen, dvs. en spegellös laser där något av ämnena i den omgivande gasen fungerar som aktivt medium. Konceptet har redan visat sig fungera principiellt, men ännu återstår forskning och utevecklingsarbete för att kunna använda mätkonceptet praktiskt, vilket således är det vi har för avsikt att göra inom detta projekt. Det är uppenbart att bakåtriktad lasring har potential att revolutionera hela fjärranalysområdet eftersom den skulle kunna innebära drastiskt högre detektionskänslighet i jämförelse med dagens laser-radar-teknik. Förutom inom atmosfärsvetenskap, skulle detta nya mätkoncept öppna upp unika möjligheter inom andra områden, t.ex. mätning inuti industrianläggningar, upptäcka gasläckage på pipelines och spårämnen associerade med t.ex. sprängämnen eller andra farliga substanser.