新型红外激光传感器可“嗅”出痕量化学物质
2018-01-05 17:41:47
据麦姆斯咨询报道，一款新的化学原型能够在距离100英尺以外的地方检测到“指纹痕量”的化学物质和其它物质，其开发者正在努力将其尺寸缩小到鞋盒大小。
图片来自MEMS
该装置有望识别痕量的毒品和爆炸物，并加速某些医学样品的分析。这种便携式红外化学传感器可以安装在无人机上，也可以由医生、警察、边防官员和士兵等用户随身携带。
该装置的传感器基于一种新型光纤激光器，该激光器将高功率与覆盖宽红外频率范围(从1.6到12微米，覆盖中波和长波红外波段)的激光束相结合。
开发这款激光器的研究人员Mohammed Islam表示，“大多数化学品的指纹特征吸收峰在2~11微米之间，因此，这个波长范围被称为‘光谱指纹区’，我们的装置能够根据其化学特征吸收峰识别固体、液体和气体目标物质。”
密歇根大学(University of Michigan)电子与计算机兼生物医学工程教授Islam及其团队使用现成的光纤和电信组件打造了这款装置，省去了定制光纤。该方案能够确保这款激光器合理的制造成本，且兼具实用性和可靠性。
Islam指出，“我们已经证明，这款价值10000美元的激光器在功能上完全可以媲美60000美元的激光器。”
宽带红外激光器通常由能够发射非常短激光脉冲的激光器构成，然后由一系列放大器增加其功率，但这种方法仅限于实验室应用。除了成本过高外，这些组件还不能缩小到足以装进手持设备。此外，镜头和反射镜的使用会使设备对碰撞和温度变化格外敏感。
为了制造这款新的激光器，研究团队从的激光二极管开始着手，类似于激光指示器和条码扫描器所使用的激光二极管。然后用电信通讯信号放大器对这个脉冲信号进行放大，类似于通讯应用中的信号放大器，当这些信号经过光纤线路的长距离传输减弱时，它可以周期性地增强语音信号备份。随后，研究团队通过2米长的光纤线圈传输这个强大的宽带信号。
Islam解释道，“这就是该装置的奇妙所在，我们以如此高的功率射入大约1纳秒的脉冲，然后它们分解成了非常窄的一系列宽度通常小于1皮秒的短脉冲。如此便用相当于价格仅为20美分的光纤，获得了与昂贵的锁模激光器相同的输出效果。”
通过一个被称为“超连续谱生成”的过程，他们将光束通过一种特制的较软的玻璃光纤来扩大光所覆盖的波长范围。大多数激光器只发出一种波长或颜色的光，但是超连续谱激光器发出的聚焦光束包含了更宽泛波长范围的光。
例如可见波长超连续谱激光器，由于包含贯穿可见光谱范围的光，发出的光柱会呈现白光。Islam团队开发的宽带红外超连续谱激光器与之原理相同，除了较长的红外波长以外。
在使用该装置时，研究人员将激光照射在物体上，通过分析反射光，确认哪些波长没有反射回来，他们便可以通过其吸收的特征红外波长来识别化学物质。
该团队于2017年8月成功地为美国高级情报研究项目活动(Intelligence Advanced Research Projects Activity)演示了这款激光器，在两天的测试中分析了70份神秘样本。该项目第二阶段的工作，需要将该系统缩小到鞋盒大小，这一过程将由Islam发起，并由全球领先的科技公司Leidos和密歇根大学初创公司Omni Sciences领导。
除了警务和国防方面的应用，Islam也展望了这款激光器在医学领域的应用。例如，组织样本放在实验室进行化学分析，这是一个需要花费时间和材料的过程。Islam认为这款激光器能够在现场对化学成分进行评估和鉴定。未来甚至有可能通过示波器运行光束并分析人体内部组织。
研究团队将该研究结果发表在《Optics Letters》期刊上。
该项目由密歇根大学、Leidos、光纤制造商Irflex和CorActive，以及Omni Sciences合作展开。美国高级情报研究项目活动资助了该项目。
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