Kierownik projektu: dr inż. Grzegorz Dudzik

Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki

Konkurs: OPUS 27

Nr projektu: 2024/53/B/ST7/02556

Budżet: 1 598 360,00 PLN

Okres realizacji: 02.01.2025-01.01.2029

Zespół projektowy:

• dr inż. Łukasz Sterczewski
• dr inż. Ewa Frączek
• Stypendysta
• Stypendysta
• Stypendysta

Opis projektu:

Globalny rozwój produkcji i ekspansja przemysłowa obserwowana od wielu dziesięcioleci ma wyraźny wpływ na kondycję naszej planety oraz jakość życia i zdrowie człowieka, głównie ze względu na rosnącą emisję wielu niebezpiecznych i toksycznych gazów, lotnych związków organicznych czy gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4), podtlenek azotu (N2O) i innych. Według raportu NASA, tylko emisja samego metanu wynosi ponad 550 milionów ton rocznie i dramatycznie wzrasta. Dodatkowo, według badań, metan odpowiada w 20% za wzrost efektu globalnego ocieplenia. Monitorowanie i ochrona środowiska, detekcja wycieków niebezpiecznych gazów czy kontrola procesów przemysłowych to jedne z wielu obszarów gdzie problem sposobu i łatwości detekcji gazów na poziomie kilku cząstek na miliard (ppb) jest kluczowy i stale obecny. Taki poziom detekcji cząstek gazu (limit detekcji czujnika) można porównać z możliwością odnalezienia czerwonej krwinki na powierzchni boiska piłkarskiego na Camp Nou w Barcelonie. Obecnie, najczulsze detektory gazów wykorzystują światło laserowe, które może być pochłaniane (absorbowane) przez cząsteczki gazów, gdy częstotliwość światła laserowego pokrywa się z częstotliwością linii absorpcyjnej gazu. Sposobami detekcji gazów zajmuje się spektroskopia laserowa. Zdolność do detekcji gazu (czułość sensora) może być zwiększona poprzez wydłużenie drogi interakcji wiązki laserowej z mierzonym gazem lub zwiększenie długości fali promieniowania laserowego (średnia podczerwień czy dalej zakres terahercowy), gdzie większość interesujących nas gazów znacznie silniej absorbuje to promieniowanie. Większość znanych technik spektroskopii laserowej o wysokiej czułości wykorzystuje wieloprzejściowe komórki absorpcyjne w celu wydłużenia drogi interakcji gaz-laser nawet do kilkudziesięciu metrów. Niestety, takie komórki posiadają kilka poważnych wad, takich jak duży rozmiar i waga, podatności na niewspółosiowość, drgania mechaniczne i akustyczne, sprawiając ogromne trudności w ich zastosowaniu poza laboratorium. Obecnie, eksperymentalne układy sensorów wykorzystują długi odcinek antyrezonansowego włókna światłowodowego z pustym rdzeniem (ARHCF) wypełnionym mierzonym gazem, zastępując typowe komórki wieloprzejściowe. Jednak ARHCF są ograniczone do wybranych zakresów długości fal i działają do 5,5 µm. Zatem dalsze, naprawdę interesujące zakresy detekcji w średniej podczerwieni i teraherców (THz) stają się dla nich nieosiągalne, gdzie absorpcja interesujących nas gazów jest znacznie większa.

Cel Projektu: W ramach Projektu, aby wyeliminować wspomniane wady czujników, proponujemy badania nad nowymi konfiguracjami laserów na ciele stałym pompowanych diodowo (DPSSL), które same stają się czujnikami gazów, a nie jak do tej pory tylko źródłami światła laserowego do zastosowań w układach spektroskopii laserowej, zapewniając nieskomplikowaną, monolityczną budowę, uniwersalność, opłacalność i kompaktowość czujnika. Dodatkowo, proponujemy pionierskie, nigdy nie stosowane podejście do zwiększania czułości czujników gazów opartych na laserach za pomocą wirów optycznych generowanych w wiązce laserowej. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, proponowany temat badawczy nie ma odpowiednika wśród obecnie rozwijanych technik laserowej detekcji gazów oraz sposobu zwiększenia ich czułości.

Spodziewane efekty projektu to realizacja nowatorskich czujników gazu jako monolitycznych, miniaturowych (<20 mm długości), lekkich (kilka gramów), bardzo czułych (limit detekcji gazu na poziomie kilka/kilkanaście molekuł na miliard (ppbv)) struktur laserowych o ekstremalnie krótkiej drodze interakcji laser-gaz (kilka mm). Dodatkowo, proponowane struktury sensorów są nieograniczone zakresem długości fal, na których dokonujemy detekcji gazów, umożliwiając eksplorację zakresu THz, obecnie nieosiągalnego dla prawie wszystkich eksperymentalnych konfiguracji czujników bazujących na laserowej spektroskopii gazów.