Forskare vid University of Michigan har förfinat en gasnosningsanordning så att den kan upptäcka giftiga gaser och sprängämnen på mindre än en halv sekund.

Den laserbaserade metoden kan användas som säkerhetsanordning på flygplatser eller för övervakning av föroreningar eller toxiner i miljön. Fysikernas fynd bygger på en metod som de utvecklade förra året som detekterar gaser på cirka fyra eller fem minuter. Den nuvarande enheten använder tre lasrar för att förkorta detektionstiden avsevärt. Deras uppdaterade forskning publiceras i Nature Photonics .

"Den stora fördelen är att du kan göra denna upptäckt med en mycket enklare, mycket mer kompakt, mycket mer robust enhet, och på samma gång, du kan göra denna upptäckt mycket snabbare och med mycket mindre förvärvstid, "sa Steven Cundiff, projektets huvudförfattare och Harrison M. Randall professor i fysik vid College of Literature, Vetenskap, och konsten.

"Detta är avgörande för att göra enheten praktisk. Om du övervakar miljön, du måste göra det ganska snabbt på grund av svängningar i miljön. Du vill inte vänta fem minuter för att ta reda på om det finns något toxin i det. "

Gaser har vissa våglängder som kan läsas med laser. Cundiff och fysikforskaren Bachana Lomsadzes första enhet använde en metod som kallas "flerdimensionell koherent spektroskopi, "eller MDCS. MDCS använder ultrakorte laserpulser för att läsa av dessa våglängder som streckkoder. En gass speciella våglängd identifierar vilken typ av gas det är.

Många gaser har ett mycket rikt spektrum för vissa våglängder, eller färger, ljus - även om "färgerna" faktiskt kan vara i det infraröda, så inte synligt det mänskliga ögat. Dessa spektra gör dem lätt identifierbara. Men detta blir svårt när forskare försöker identifiera gaser i en blandning. Förr, forskare förlitade sig på att kontrollera sina mätningar mot en katalog av molekyler, en process som kräver högpresterande datorer och en betydande tid.

Cundiffs tidigare metod använde MDCS med en annan metod som kallas dual-comb-spektroskopi för att förkorta detekteringstiden till den fyra eller fem minuter. Frekvenskammar är laserkällor som genererar spektra bestående av skarpa linjer med lika avstånd. Dessa linjer används som regler för att mäta de spektrala egenskaperna hos atomer och molekyler, identifiera dem med extrem precision. Vid dubbelkammspektroskopi, lasrarna skickar ljuspulser i olika mönster för att snabbt söka efter gasavtryck.

Nu, Cundiff och Lomsadze har lagt till ytterligare ett lager av laserdetektering för att jämföra den upptäcktstiden ytterligare, med en metod som de har kallat "tri-kam-spektroskopi". Detta är också första gången tri kamspektroskopi har visats, Säger Cundiff.

Forskargruppen lade till en tredje laser och kopplade ihop lasrarna med programvara som kan programmera mönstret av ljuspulser som lasrarna avger. Lasrarna synkroniseras med varandra för att generera ljuspulser så att lasrarna ständigt skannar för att identifiera gaser.

Så här fungerar enheten:Två lasrar skickar ljuspulser i samma riktning som kombineras till en enda stråle. Denna stråle passerar genom en gasånga, och efter att strålen passerat genom ångan, den kombineras med strålen från en tredje laser. Sedan, slutstrålen träffar en signaldetektor som mäter gasblandningens spektra och identifierar gaserna. Medan denna demonstration använde "hembyggda" lasrar som inte är särskilt kompakta eller robusta, motsvarande kommersiellt tillgängliga lasrar mäter cirka 10 tum med fyra tum med två tum.

Liknar deras arbete förra året, Lomsadze och Cundiff testade sin metod i en ånga av rubidiumatomer som innehöll två rubidiumisotoper. Frekvensskillnaden mellan absorptionslinjer för de två isotoperna är för liten för att observeras med traditionella metoder för MDCS, men genom att använda kammar, Lomsadze och Cundiff kunde lösa dessa linjer och tilldela isotopernas spektra baserat på hur energinivåerna var kopplade till varandra. Deras metod är allmän och kan användas för att identifiera kemikalier i en blandning utan att tidigare veta blandningen av blandningen.

Cundiff hoppas kunna implementera enheten i befintlig fiberoptisk teknik, och styrning av laserpulserna med programvara. På det sättet, programvaran kan anpassas till särskilda miljöer.

"Detta är ett steg mot målet med mjukvarukonfigurerbar spektroskopi, "Sa Cundiff." Detta liknar omprogrammerbar radioteknologi, där samma hårdvara kan användas för olika applikationer, t.ex. en mobiltelefon eller en FM -mottagare, helt enkelt genom att ladda olika program. "