Однофотонный рамановский лидар для подводных исследований
Новый однофотонный рамановский лидар предназначен для работы под водой и способен дистанционно находить различные вещества. Например, он способен определить толщину слоя нефти на расстоянии до 12 м, что может быть полезно для обнаружения её разливов.
«Поиск разных веществ в воде и определение их характеристик очень важны для морского мониторинга, а также для научных исследований», - говорит руководитель исследовательской группы Минцзя Шангуань из Сямэньского университета в Китае. «Например, продемонстрированный нами дистанционный поиск нефти под водой может быть полезен для нахождения утечек в подводных нефтепроводах».
Несмотря на то, что лидары, основанные на рамановском рассеянии, использовались для исследования подводных веществ также и ранее, они менее практичны из-за больших габаритных размеров и высокого энергопотребления систем.
Новый лидар, описанный в журнале Applied Optics, использует всего 1 мкДж энергии импульса с апертурой фотоприемника 22,4 мм. Его габариты составляют 40 см в длину и диаметр 20 см, что позволяет использовать аппараты на глубине до 1 км под водой. Для повышения чувствительности, разработчики использовали однофотонный детектор из сверхпроводящих элементов (система однофотонного детектирования).
«Установка подводного рамановского лидара на полностью автономном аппарате или на аппарате с дистанционным управлением может обеспечить слежение за утечками в подводных нефтепроводах», - говорит Шангуань. «Возможно в перспективе его также можно использовать для исследования и обнаружения подводных ресурсов углеводородного сырья».
Однофотонная чувствительность подводного лидара
Обычные лидары, предназначенные для работы на кораблях, самолетах или спутниках, обеспечивают обширное исследование океана, однако глубина сканирования у них ограничена ввиду сложных условий подводного оптического наблюдения. В отличие от них, рамановские лидары можно использовать для подводных исследований на любой глубине, независимо от степени оптической пропускаемости среды.
Рамановский лидар излучает зеленый лазерный импульс (532нм), который вступает во взаимодействие на молекулярном уровне с такими веществами, как, например, нефть. При взаимодействии излучения с молекулами вещества происходит неупругое рассеяние лазерного излучения, которое может быть использовано для их идентификации. Измеряя интенсивность рассеянного излучения на определенных длинах волн, лидар может предоставить информацию, например, о количестве содержащейся нефти в воде.
«Традиционные рамановские лидары основаны на увеличении мощности лазера и апертуры телескопа для обеспечения дистанционного обнаружения, что приводит к большому размеру системы и высокому энергопотреблению, из-за чего затруднена интеграция лидаров в подводные аппараты», - говорит Шангуань. «Использование технологии однофотонного обнаружения позволило реализовать возможность дистанционной работы за счет повышения чувствительности без увеличения массогабаритных и энергетических характеристик».
Исследователи продемонстрировали свой новый лидар в ходе обнаружения слоя бензина различной толщины в кварцевой ячейке, располагающейся на расстоянии 12 м от системы. Лидар и ячейка были погружены на глубину 0,6 м в большом бассейне. Лидар обнаружил и определил слои бензина толщиной от 1 до 15 мм.
В настоящее время ученые работают над увеличением числа каналов распознавания и над увеличением рамановского спектрального разрешения однофотонного лидара для улучшения возможностей распознавания различных веществ под водой. Кроме того, данная технология также позволяет использовать прибор для анализа подводных пузырей и железомарганцевых конкреций.