En kemikaliedetektor i skoæskestørrelse

En kemisk sensorprototype udviklet ved University of Michigan vil være i stand til at detektere "enkeltfingeraftryksmængder" af stoffer fra en afstand på mere end 100 fod væk, og dets udviklere arbejder på at krympe den til størrelsen af ​​en skoæske.

Det kan potentielt bruges til at identificere spor af stoffer og sprængstoffer, samt fremskynde analysen af ​​visse medicinske prøver. En bærbar infrarød kemisk sensor kan monteres på en drone eller bæres af brugere såsom læger, politi, grænseembedsmænd og soldater.

Sensoren er muliggjort af en ny optisk fiberbaseret laser, der kombinerer høj effekt med en stråle, der dækker et bredt bånd af infrarøde frekvenser - fra 1,6 til 12 mikron, som dækker den såkaldte mellembølge og langbølget infrarød.

"De fleste kemikalier har fingeraftrykssignaturer mellem omkring 2 og 11 mikron, " sagde U-M-forsker Mohammed Islam, der udviklede laseren. "Derfor, dette bølgelængdeområde kaldes 'spektralfingeraftryksområdet'. Så vores enhed muliggør identifikation af faste, væske- og gasmål baseret på deres kemiske signatur."

Projektet er et samarbejde mellem U-M, den globale teknologivirksomhed Leidos, fiberproducenterne IRflex og CorActive og U-M startup Omni Sciences, som blev grundlagt af islam. Projektet er finansieret af U.S. Intelligence Advanced Research Projects Activity.

Islam, U-M professor i elektro- og computerteknik og biomedicinsk teknik, og hans team byggede deres enhed med hyldefiberoptik og telekommunikationskomponenter, gem en specialfremstillet optisk fiber. Denne tilgang sikrer, at laseren vil være pålidelig og praktisk at fremstille til en rimelig pris.

"Vi har vist, at vi kan tjene $10, 000 laser, der kan alt for 60 $, 000 laser kan gøre, " sagde islam.

Bredbåndsinfrarøde lasere er typisk bygget op af en laser, der producerer meget korte lysimpulser, og så øger en række forstærkere effekten, men denne tilgang er begrænset til laboratorier. Ud over deres høje omkostninger, disse komponenter kan endnu ikke krympe små nok til at passe ind i en håndholdt enhed. Plus, brugen af ​​linser og spejle ville gøre enheden følsom over for stød og temperaturændringer.

For at lave deres nye laser, holdet startede med en standard laserdiode, svarende til dem i laserpointere og stregkodescannere. Denne puls blev derefter forstærket i kraft med telekommunikationsforstærkere - svarende til dem, der bruges i marken til periodisk at rampe stemmesignaler som backup, når de aftager over lange rejser gennem de fiberoptiske linjer. Så løb de denne kraftfulde, bredbåndssignal gennem en 2 meter spole af optisk fiber.

"Det er her magien kommer ind, " sagde Islam. "Vi indsætter disse omtrent et nanosekunds pulser ved denne høje effekt, og de bryder op i meget smalle serier af små korte pulser, typisk mindre end et picosekund i bredden. Så dybest set til prisen på 20 cents fiber, vi opnår samme slags output som meget dyre mode-locked lasere."

Derefter, i en proces kendt som "superkontinuum generation, " de udvidede bølgelængderne dækket af det lys ved at sende det gennem specialiserede blødere glasfibre. De fleste lasere udsender lys på kun en bølgelængde, eller farve. Men supercontinuum lasere afgiver en fokuseret stråle pakket med lys fra et meget bredere spektrum af bølgelængder.

Synlig bølgelængde superkontinuum lasere, for eksempel, udleder tætte søjler, der ser hvide ud, fordi de indeholder lys fra hele det synlige spektrum. Islams bredbånds infrarøde superkontinuumlaser gør det tilsvarende, men i længere infrarøde bølgelængder.

For at bruge enheden, forskerne skinner laseren på et objekt og analyserer det reflekterede lys for at identificere, hvilke bølgelængder der ikke vendte tilbage. De kan identificere kemikalier ved det unikke mønster af infrarøde bølgelængder, som de absorberer.

Holdet demonstrerede med succes laseren til U.S. Intelligence Advanced Research Projects Activity i august 2017, analysere 70 mysterieprøver over to dages test. Fase 2 af projektet vil indebære, at systemet krymper mod størrelsen af ​​en skoæske, en proces, der vil blive ledet af Leidos og Omni Sciences.

Ud over ansøgningerne inden for politi og forsvar, Islam ser en fremtid for teknologien inden for medicin. For eksempel, vævsprøver analyseres kemisk i et laboratorium - en proces, der tager tid og materialer. Islam mener, at laseren kunne give en vurdering af det kemiske indhold på stedet. Det kan endda være muligt at føre strålen gennem et skop og analysere væv lige i kroppen.

Laseren er beskrevet i journalen Optik bogstaver , i en artikel med titlen, "Mid-infrarød supercontinuum generation fra 1,6 til> 11 mikrometer ved hjælp af sammenkædede step-index fluorid- og chalcogenidfibre."