密歇根大学开发了一个化学物质传感器样机，它能够在100英尺以外的距离上探测到“单指纹”物质。该传感器的开发人员正在努力将其缩小到单个鞋盒的尺寸。

它可能会用于识别毒品和爆炸物的痕迹，以及加速对某些医学样品的分析。便携式红外化学传感器可以安装在无人驾驶飞机上，也可以由医生、警察、边防官员和士兵等用户随身携带。

这种传感器是由一种新型的、基于光纤的激光器实现的，该激光器将高功率与宽红外频率范围1.6微米~12微米光束相结合，覆盖了所谓的中长波红外。

“大多数化学物质的指纹特征在2微米~11微米之间，”密西根大学该激光器的研发人员Mohammed Islam说。“因此这个波长范围被称为‘指纹光谱区域’。” 因此我们的设备能够根据其化学特征识别固体、液体和气体目标。“

该项目是密歇根大学、全球科技公司Leidos、光纤制造商IRflex和CorActive、以及由Islam创建的密歇根大学的创业公司Omni Sciences共同合作的项目。

密歇根大学电气和计算机工程以及生物医学工程教授Islam和他的团队，使用现有光纤和电信部件构建了他们的设备，省去了定制光纤。这种方法保证了激光器的可靠性和实用性，并且制造成本合理。

“我们已经证明，我们可以制造一个10,000美元的激光器，它可以完成 60,000美元激光器所能做的一切，”Islam说。

宽带红外激光器通常由产生非常短光脉冲的激光器构成，然后采用一系列放大器提高功率，但这种方法仅限于实验室。除了成本较高以外，这些组件还不能缩小到足以装入手持设备的程度。另外，透镜和反射镜的使用会使设备对温度的变化比较敏感。

为了制造新的激光器，该团队以类似于激光指示器和条形码扫描器的标准激光二极管作为起点。然后用电信放大器对这个脉冲信号进行放大，类似于现场使用的放大器，当这些信号在经过光纤线路的长距离传输后减弱时，它可以周期性实现语音信号恢复。

“这就是它的奇妙之处，”Islam说。“我们把这些宽度大约1纳秒的脉冲放在高功率中，并把它分解成一系列小的窄脉冲，宽度通常小于1皮秒。这样我们在此基础上，以20美分的光纤价格实现了与昂贵的锁模激光器相同的输出效果。”

随后，在一个被称为“超连续谱产生”的过程中，他们通过特定的软玻璃纤维光纤来扩大覆盖的波长范围。大多数激光器只发出一个波长或颜色的光。但是超连续谱激光器发出的聚焦光束包含了来自更宽的波长范围的光。

例如，可见光波长超连续谱激光器，它们发射的光谱纵向紧密排列后显现为白色，这是因为它们包含了贯穿可见光谱范围的光。除了较长的红外波长以外，Islam的宽带红外超连续谱激光器是等效的。

为了使用这种装置，研究人员将激光照射在物体上，分析反射光，以确定哪些波长没有被反回来。他们可以通过其吸收的红外波长的独特模式来识别化学物质。

该团队于2017年8月成功地展示了用于美国情报高级研究项目活动的激光器，并在两天的测试中分析了70个秘密样本。该项目的第二阶段将需要将系统尺寸缩小到单个鞋盒的大小，这个过程将由Leidos和Omni Sciences负责。

除了在警务和**方面的应用外，Islam还看到了在医学方面应用的未来。例如，组织样本在实验室化学分析——一个需要时间和材料的过程。Islam认为激光可以对现场的化学物质进行评估，甚至有可能通过一个示波器运行光束并分析体内的组织。

关于该激光器的描述，已经在《Optics Letters》期刊上发表了一篇题为“使用阶跃型氟化物和硫族化合物级联光纤实现从1.6微米到11μ微米以上的中红外超连续谱” 的文章。

来源：https://phys.org/news/2017-12-shoe-box-sized-chemical-detector.html

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