En prototyp av kemiska sensorer som utvecklats vid University of Michigan kommer att kunna detektera "enstaka fingeravtrycksmängder" av ämnen på ett avstånd av mer än 100 fot bort, och dess utvecklare arbetar med att krympa den till storleken på en skokartong.
Det kan eventuellt användas för att identifiera spår av droger och sprängämnen, samt påskynda analysen av vissa medicinska prover. En bärbar infraröd kemisk sensor kan monteras på en drönare eller bäras av användare som läkare, polis, gränstjänstemän och soldater.
Sensorn möjliggörs av en ny optisk fiberbaserad laser som kombinerar hög effekt med en stråle som täcker ett brett band av infraröda frekvenser-från 1,6 till 12 mikron, som täcker den så kallade mellan- och långvågiga infraröda.
"De flesta kemikalier har fingeravtryckssignaturer mellan cirka 2 och 11 mikron, "sa U-M-forskaren Mohammed Islam, som utvecklade lasern. "Därav, detta våglängdsområde kallas 'spektralfingeravtrycksregionen'. Så vår enhet möjliggör identifiering av fast, vätske- och gasmål baserat på deras kemiska signatur. "
Projektet är ett samarbete mellan U-M, globala teknikföretaget Leidos, fiber tillverkare IRflex och CorActive och UM start Omni Sciences, som grundades av islam. Projektet finansieras av U.S. Intelligence Advanced Research Projects Activity.
Islam, U-professor i el- och datorteknik och biomedicinsk teknik, och hans team byggde sin enhet med fiberoptik och telekommunikationskomponenter från hyllan, spara en skräddarsydd optisk fiber. Detta tillvägagångssätt säkerställer att lasern blir tillförlitlig och praktisk att tillverka till en rimlig kostnad.
"Vi har visat att vi kan tjäna $ 10, 000 laser som kan göra allt för $ 60, 000 laser kan göra, "Sa islam.
Bredbandsinfraröda lasrar är vanligtvis uppbyggda från en laser som ger mycket korta pulser av ljus, och sedan ökar en serie förstärkare effekten, men detta tillvägagångssätt är begränsat till laboratorier. Förutom deras höga kostnader, dessa komponenter kan ännu inte krympa tillräckligt små för att passa in i en handhållen enhet. Plus, användningen av linser och speglar skulle göra enheten känslig för störningar och temperaturförändringar.
För att skapa sin nya laser, laget började med en standard laserdiod, liknande dem i laserpekare och streckkodsläsare. Denna puls förstärktes sedan i effekt med telekommunikationsförstärkare-liknande dem som används för att regelbundet rampa upp röstsignalbackup när de minskar över långa resor genom de fiberoptiska linjerna. Sedan sprang de detta kraftfulla, bredbandssignal genom en 2-meters spole av optisk fiber.
"Det är här magin kommer in, "sa islam." Vi lägger in dessa ungefär en-nanosekundpulser vid denna höga effekt och de bryts upp i mycket smala serier av små korta pulser, vanligtvis mindre än en picosekund i bredd. Så i princip till priset av 20 cent fiber, vi får samma typ av utmatning som mycket dyra lägeslåsta lasrar. "
Sedan, i en process som kallas "superkontinuumgenerering, "de expanderade våglängderna som täcks av det ljuset genom att skicka det genom specialiserade mjukare glasfibrer. De flesta lasrar avger ljus med bara en våglängd, eller färg. Men superkontinuumlasrar avger en fokuserad stråle packad med ljus från ett mycket bredare våglängdsintervall.
Superkontinuumlasrar med synlig våglängd, till exempel, släpper ut snäva kolumner som verkar vita eftersom de innehåller ljus från hela det synliga spektrumet. Islams bredbandsinfraröda superkontinuumlaser gör motsvarande, men i längre infraröda våglängder.
För att använda enheten, forskarna lyser lasern på ett föremål och analyserar det reflekterade ljuset för att identifiera vilka våglängder som inte studsade tillbaka. De kan identifiera kemikalier genom det unika mönstret av infraröda våglängder som de absorberar.
Teamet demonstrerade framgångsrikt lasern för U.S. Intelligence Advanced Research Projects Activity i augusti 2017, analyserar 70 mystery -prover under två dagars testning. Fas 2 i projektet kommer att innebära att systemet krymper till storleken på en skokartong, en process som kommer att ledas av Leidos och Omni Sciences.
Förutom applikationerna inom polis och försvar, Islam ser en framtid för tekniken inom medicin. Till exempel, vävnadsprover analyseras kemiskt i ett laboratorium - en process som tar tid och material. Islam tror att lasern kan ge en bedömning av det kemiska innehållet på plats. Det kan till och med vara möjligt att köra strålen genom ett omfång och analysera vävnad direkt i kroppen.
Lasern beskrivs i journalen Optikbokstäver , i en artikel med titeln, "Mellan-infrarött superkontinuum generation från 1,6 till> 11 mikrometer med hjälp av sammanfogade stegindexfluorid- och kalkogenidfibrer. "
