Een prototype van een chemische sensor ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan zal in staat zijn om "enkele-vingerafdrukhoeveelheden" van stoffen te detecteren op een afstand van meer dan 30 meter, en de ontwikkelaars werken eraan om het te verkleinen tot de grootte van een schoenendoos.

Het kan mogelijk worden gebruikt om sporen van drugs en explosieven te identificeren, evenals het versnellen van de analyse van bepaalde medische monsters. Een draagbare infrarood chemische sensor kan op een drone worden gemonteerd of door gebruikers zoals artsen worden gedragen, politie, grensbeambten en soldaten.

De sensor wordt mogelijk gemaakt door een nieuwe laser op basis van optische vezels die een hoog vermogen combineert met een straal die een brede band van infraroodfrequenties bestrijkt - van 1,6 tot 12 micron, die het zogenaamde middengolf- en langegolf-infrarood omvat.

"De meeste chemicaliën hebben vingerafdrukken tussen ongeveer 2 en 11 micron, " zei U-M-onderzoeker Mohammed Islam, die de laser heeft ontwikkeld. "Vandaar, dit golflengtebereik wordt het 'spectrale vingerafdrukgebied' genoemd. Dus ons apparaat maakt identificatie van vaste, vloeistof- en gasdoelen op basis van hun chemische handtekening."

Het project is een samenwerking tussen U-M, wereldwijd technologiebedrijf Leidos, glasvezelmakers IRflex en CorActive en U-M startup Omni Sciences, die door de islam is gesticht. Het project wordt gefinancierd door de U.S. Intelligence Advanced Research Projects Activity.

Islam, U-M hoogleraar elektrotechniek en computertechniek en biomedische technologie, en zijn team bouwden hun apparaat met kant-en-klare glasvezel- en telecommunicatiecomponenten, bespaar één op maat gemaakte optische vezel. Deze benadering zorgt ervoor dat de laser betrouwbaar en praktisch te vervaardigen is tegen redelijke kosten.

"We hebben laten zien dat we $ 10 kunnen verdienen, 000 laser die alles kan doen voor $60, 000 laser kan doen, ' zei de islam.

Breedband-infraroodlasers zijn meestal opgebouwd uit een laser die zeer korte lichtpulsen produceert, en dan verhoogt een reeks versterkers het vermogen, maar deze benadering is beperkt tot laboratoria. Naast hun hoge kosten, deze componenten kunnen nog niet klein genoeg krimpen om in een handheld-apparaat te passen. Plus, het gebruik van lenzen en spiegels zou het apparaat gevoelig maken voor gedrang en temperatuurveranderingen.

Om hun nieuwe laser te maken, het team begon met een standaard laserdiode, vergelijkbaar met die in laserpointers en barcodescanners. Deze puls werd vervolgens in vermogen opgevoerd met telecomversterkers - vergelijkbaar met die in het veld worden gebruikt om periodiek de back-up van spraaksignalen te verhogen naarmate ze afnemen over lange reizen door de glasvezellijnen. Toen renden ze deze krachtige, breedbandsignaal via een spoel van 2 meter glasvezel.

"Dit is waar de magie binnenkomt, " zei Islam. "We zetten deze pulsen van ongeveer één nanoseconde in met dit hoge vermogen en ze vallen uiteen in zeer smalle reeksen van kleine korte pulsen, meestal minder dan een picoseconde breed. Dus eigenlijk voor de prijs van 20 cent vezel, we verkrijgen hetzelfde soort output als zeer dure lasers met modusvergrendeling."

Vervolgens, in een proces dat bekend staat als "supercontinuümgeneratie, " ze breidden de golflengten die door dat licht worden bedekt uit door het door gespecialiseerde zachtere glasvezels te sturen. De meeste lasers zenden licht uit van slechts één golflengte, of kleur. Maar supercontinuümlasers geven een gefocusseerde straal af die vol zit met licht van een veel breder bereik aan golflengten.

Supercontinuum lasers met zichtbare golflengte, bijvoorbeeld, ontlaad strakke kolommen die wit lijken omdat ze licht bevatten van over het hele zichtbare spectrum. Islam's breedband infrarood supercontinuüm laser doet het equivalent, maar in langere infrarode golflengten.

Om het apparaat te gebruiken, de onderzoekers schijnen de laser op een object en analyseren het gereflecteerde licht om te bepalen welke golflengten niet terugkaatsten. Ze kunnen chemicaliën identificeren aan de hand van het unieke patroon van infrarode golflengten die ze absorberen.

Het team heeft de laser met succes gedemonstreerd voor de U.S. Intelligence Advanced Research Projects Activity in augustus 2017, het analyseren van 70 mysteriemonsters gedurende twee dagen testen. Fase 2 van het project omvat het verkleinen van het systeem tot de grootte van een schoenendoos, een proces dat geleid zal worden door Leidos en Omni Sciences.

Naast de toepassingen in politie en defensie, De islam ziet toekomst voor de technologie in de geneeskunde. Bijvoorbeeld, weefselmonsters worden chemisch geanalyseerd in een laboratorium - een proces dat tijd en materialen kost. Islam denkt dat de laser ter plekke een beoordeling van de chemische inhoud kan geven. Het is misschien zelfs mogelijk om de straal door een scoop te laten lopen en weefsel in het lichaam te analyseren.

De laser wordt beschreven in het tijdschrift Optica Letters , in een artikel getiteld, "Midden-infrarood supercontinuüm generatie van 1,6 tot> 11 micrometer met behulp van aaneengeschakelde step-index fluoride en chalcogenide vezels."