一款新的化學(xué)傳感器原型能夠在距離100英尺以外的地方檢測(cè)到“指紋痕量”的化學(xué)物質(zhì)和其它物質(zhì)，其開(kāi)發(fā)者正在努力將其尺寸縮小到鞋盒大小。

 

該裝置有望識(shí)別痕量的毒品和爆炸物，并加速某些醫(yī)學(xué)樣品的分析。這種便攜式紅外化學(xué)傳感器可以安裝在無(wú)人機(jī)上，也可以由醫(yī)生、警察、邊防官員和士兵等用戶隨身攜帶。

 

該裝置的傳感器基于一種新型光纖激光器，該激光器將高功率與覆蓋寬紅外頻率范圍（從1.6到12微米，覆蓋中波和長(zhǎng)波紅外波段）的激光束相結(jié)合。

 

研究人員演示這款化學(xué)傳感器原型

 

開(kāi)發(fā)這款激光器的研究人員Mohammed Islam表示，“大多數(shù)化學(xué)品的指紋特征吸收峰在2~11微米之間，因此，這個(gè)波長(zhǎng)范圍被稱為‘光譜指紋區(qū)’，我們的裝置能夠根據(jù)其化學(xué)特征吸收峰識(shí)別固體、液體和氣體目標(biāo)物質(zhì)。”

 

密歇根大學(xué)（University of Michigan）電子與計(jì)算機(jī)兼生物醫(yī)學(xué)工程教授Islam及其團(tuán)隊(duì)使用現(xiàn)成的光纖和電信組件打造了這款裝置，省去了定制光纖。該方案能夠確保這款激光器合理的制造成本，且兼具實(shí)用性和可靠性。

 

Islam指出，“我們已經(jīng)證明，這款價(jià)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。”

 

設(shè)備原型的頂視圖

 

寬帶紅外激光器通常由能夠發(fā)射非常短激光脈沖的激光器構(gòu)成，然后由一系列放大器增加其功率，但這種方法僅限于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。除了成本過(guò)高外，這些組件還不能縮小到足以裝進(jìn)手持設(shè)備。此外，鏡頭和反射鏡的使用會(huì)使設(shè)備對(duì)碰撞和溫度變化格外敏感。

 

為了制造這款新的激光器，研究團(tuán)隊(duì)從標(biāo)準(zhǔn)的激光二極管開(kāi)始著手，類似于激光指示器和條碼掃描器所使用的激光二極管。然后用電信通訊信號(hào)放大器對(duì)這個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，類似于通訊應(yīng)用中的信號(hào)放大器，當(dāng)這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖線路的長(zhǎng)距離傳輸減弱時(shí)，它可以周期性地增強(qiáng)語(yǔ)音信號(hào)備份。隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)2米長(zhǎng)的光纖線圈傳輸這個(gè)強(qiáng)大的寬帶信號(hào)。

 

Islam解釋道，“這就是該裝置的奇妙所在，我們以如此高的功率射入大約1納秒的脈沖，然后它們分解成了非常窄的一系列寬度通常小于1皮秒的短脈沖。如此便用相當(dāng)于價(jià)格僅為20美分的光纖，獲得了與昂貴的鎖模激光器相同的輸出效果。”

 

通過(guò)一個(gè)被稱為“超連續(xù)譜生成”的過(guò)程，他們將光束通過(guò)一種特制的較軟的玻璃光纖來(lái)擴(kuò)大光所覆蓋的波長(zhǎng)范圍。大多數(shù)激光器只發(fā)出一種波長(zhǎng)或顏色的光，但是超連續(xù)譜激光器發(fā)出的聚焦光束包含了更寬泛波長(zhǎng)范圍的光。

 

例如可見(jiàn)波長(zhǎng)超連續(xù)譜激光器，由于包含貫穿可見(jiàn)光譜范圍的光，發(fā)出的光柱會(huì)呈現(xiàn)白光。Islam團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的寬帶紅外超連續(xù)譜激光器與之原理相同，除了較長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)以外。

 

在使用該裝置時(shí)，研究人員將激光照射在物體上，通過(guò)分析反射光，確認(rèn)哪些波長(zhǎng)沒(méi)有反射回來(lái)，他們便可以通過(guò)其吸收的特征紅外波長(zhǎng)來(lái)識(shí)別化學(xué)物質(zhì)。

 

該團(tuán)隊(duì)于2017年8月成功地為美國(guó)高級(jí)情報(bào)研究項(xiàng)目活動(dòng)（Intelligence Advanced Research Projects Activity）演示了這款激光器，在兩天的測(cè)試中分析了70份神秘樣本。該項(xiàng)目第二階段的工作，需要將該系統(tǒng)縮小到鞋盒大小，這一過(guò)程將由Islam發(fā)起，并由全球領(lǐng)先的科技公司Leidos和密歇根大學(xué)初創(chuàng)公司Omni Sciences領(lǐng)導(dǎo)。

 

除了警務(wù)和國(guó)防方面的應(yīng)用，Islam也展望了這款激光器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，組織樣本放在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析，這是一個(gè)需要花費(fèi)時(shí)間和材料的過(guò)程。Islam認(rèn)為這款激光器能夠在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行評(píng)估和鑒定。未來(lái)甚至有可能通過(guò)示波器運(yùn)行光束并分析人體內(nèi)部組織。





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