【導讀】一款新的化學傳感器原型能夠在距離100英尺以外的地方檢測到“指紋痕量”的化學物質(zhì)和其它物質(zhì)，其開發(fā)者正在努力將其尺寸縮小到鞋盒大小。
一款新的化學傳感器原型能夠在距離100英尺以外的地方檢測到“指紋痕量”的化學物質(zhì)和其它物質(zhì)，其開發(fā)者正在努力將其尺寸縮小到鞋盒大小。
該裝置有望識別痕量的毒品和爆炸物，并加速某些醫(yī)學樣品的分析。這種便攜式紅外化學傳感器可以安裝在無人機上，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，覆蓋中波和長波紅外波段）的激光束相結合。
研究人員演示這款化學傳感器原型
開發(fā)這款激光器的研究人員Mohammed Islam表示，“大多數(shù)化學品的指紋特征吸收峰在2~11微米之間，因此，這個波長范圍被稱為‘光譜指紋區(qū)’，我們的裝置能夠根據(jù)其化學特征吸收峰識別固體、液體和氣體目標物質(zhì)。”
密歇根大學（University of Michigan）電子與計算機兼生物醫(yī)學工程教授Islam及其團隊使用現(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，且兼具實用性和可靠性。
Islam指出，“我們已經(jīng)證明，這款價值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成，然后由一系列放大器增加其功率，但這種方法僅限于實驗室應用。除了成本過高外，這些組件還不能縮小到足以裝進手持設備。此外，鏡頭和反射鏡的使用會使設備對碰撞和溫度變化格外敏感。
為了制造這款新的激光器，研究團隊從標準的激光二極管開始著手，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放大器對這個脈沖信號進行放大，類似于通訊應用中的信號放大器，當這些信號經(jīng)過光纖線路的長距離傳輸減弱時，它可以周期性地增強語音信號備份。隨后，研究團隊通過2米長的光纖線圈傳輸這個強大的寬帶信號。
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。如此便用相當于價格僅為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。”
通過一個被稱為“超連續(xù)譜生成”的過程，他們將光束通過一種特制的較軟的玻璃光纖來擴大光所覆蓋的波長范圍。大多數(shù)激光器只發(fā)出一種波長或顏色的光，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范圍的光。
例如可見波長超連續(xù)譜激光器，由于包含貫穿可見光譜范圍的光，發(fā)出的光柱會呈現(xiàn)白光。Islam團隊開發(fā)的寬帶紅外超連續(xù)譜激光器與之原理相同，除了較長的紅外波長以外。
在使用該裝置時，研究人員將激光照射在物體上，通過分析反射光，確認哪些波長沒有反射回來，他們便可以通過其吸收的特征紅外波長來識別化學物質(zhì)。
該團隊于2017年8月成功地為美國高級情報研究項目活動（Intelligence Advanced Research Projects Activity）演示了這款激光器，在兩天的測試中分析了70份神秘樣本。該項目第二階段的工作，需要將該系統(tǒng)縮小到鞋盒大小，這一過程將由Islam發(fā)起，并由全球領先的科技公司Leidos和密歇根大學初創(chuàng)公司Omni Sciences領導。
除了警務和國防方面的應用，Islam也展望了這款激光器在醫(yī)學領域的應用。例如，組織樣本放在實驗室進行化學分析，這是一個需要花費時間和材料的過程。Islam認為這款激光器能夠在現(xiàn)場對化學成分進行評估和鑒定。未來甚至有可能通過示波器運行光束并分析人體內(nèi)部組織。
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