Un prototipo di sensore chimico sviluppato presso l'Università del Michigan sarà in grado di rilevare "quantità di impronte digitali" di sostanze da una distanza di oltre 100 piedi di distanza, e i suoi sviluppatori stanno lavorando per ridurlo alle dimensioni di una scatola da scarpe.

Potrebbe essere potenzialmente utilizzato per identificare tracce di droghe ed esplosivi, oltre a velocizzare l'analisi di alcuni campioni medici. Un sensore chimico a infrarossi portatile potrebbe essere montato su un drone o trasportato da utenti come medici, Polizia Stradale, funzionari di frontiera e soldati.

Il sensore è reso possibile da un nuovo laser a fibra ottica che combina un'elevata potenza con un raggio che copre un'ampia banda di frequenze infrarosse, da 1,6 a 12 micron, che copre i cosiddetti infrarossi a onde medie e lunghe.

"La maggior parte delle sostanze chimiche ha impronte digitali comprese tra circa 2 e 11 micron, " ha detto il ricercatore dell'UM Mohammed Islam, che ha sviluppato il laser. "Quindi, questo intervallo di lunghezze d'onda è chiamato "regione spettrale dell'impronta digitale". Quindi il nostro dispositivo consente l'identificazione di solidi, obiettivi di liquidi e gas in base alla loro firma chimica."

Il progetto è una collaborazione tra U-M, società tecnologica globale Leidos, produttori di fibre IRflex e CorActive e la startup U-M Omni Sciences, fondata dall'Islam. Il progetto è finanziato dalla US Intelligence Advanced Research Projects Activity.

Islam, professore di ingegneria elettrica e informatica e ingegneria biomedica, e il suo team hanno costruito il loro dispositivo con fibre ottiche e componenti per telecomunicazioni standard, risparmiare una fibra ottica su misura. Questo approccio garantisce che il laser sia affidabile e pratico da produrre a un costo ragionevole.

"Abbiamo dimostrato che possiamo guadagnare $ 10, 000 laser che può fare tutto a $ 60, 000 laser possono fare, "ha detto l'Islam.

I laser a infrarossi a banda larga sono generalmente costituiti da un laser che produce impulsi di luce molto brevi, e poi una serie di amplificatori aumenta la potenza, ma questo approccio è limitato ai laboratori. Oltre ai costi elevati, questi componenti non possono ancora rimpicciolirsi abbastanza da poter essere inseriti in un dispositivo portatile. Più, l'uso di lenti e specchi renderebbe il dispositivo sensibile agli urti e agli sbalzi di temperatura.

Per creare il loro nuovo laser, il team ha iniziato con un diodo laser standard, simili a quelli dei puntatori laser e dei lettori di codici a barre. Questo impulso è stato poi potenziato con amplificatori per telecomunicazioni, simili a quelli utilizzati sul campo per aumentare periodicamente il backup dei segnali vocali man mano che diminuiscono durante i lunghi viaggi attraverso le linee in fibra ottica. Poi hanno eseguito questo potente, segnale a banda larga attraverso una bobina di fibra ottica di 2 metri.

"È qui che entra in gioco la magia, " ha detto Islam. "Abbiamo inserito questi impulsi di circa un nanosecondo a questa potenza elevata e si rompono in serie molto strette di piccoli impulsi brevi, tipicamente meno di un picosecondo di larghezza. Quindi in pratica al prezzo di 20 centesimi di fibra, otteniamo lo stesso tipo di output dei laser mode-locked molto costosi."

Quindi, in un processo noto come "generazione di supercontinuo, " hanno ampliato le lunghezze d'onda coperte da quella luce inviandola attraverso fibre di vetro più morbide specializzate. La maggior parte dei laser emette luce di una sola lunghezza d'onda, o colore. Ma i laser supercontinuo emettono un raggio concentrato ricco di luce da una gamma molto più ampia di lunghezze d'onda.

laser supercontinuo a lunghezza d'onda visibile, Per esempio, scarica colonne strette che appaiono bianche perché contengono luce proveniente da tutto lo spettro visibile. Il laser supercontinuo a infrarossi a banda larga dell'Islam fa l'equivalente, ma in lunghezze d'onda infrarosse più lunghe.

Per utilizzare il dispositivo, i ricercatori puntano il laser su un oggetto e analizzano la luce riflessa per identificare quali lunghezze d'onda non si sono ripresentate. Possono identificare le sostanze chimiche dal modello unico di lunghezze d'onda infrarosse che assorbono.

Il team ha dimostrato con successo il laser per l'attività dei progetti di ricerca avanzata dell'intelligence statunitense nell'agosto 2017, analizzando 70 campioni misteriosi in due giorni di test. La fase 2 del progetto comporterà la riduzione del sistema alle dimensioni di una scatola da scarpe, un processo che sarà guidato da Leidos e Omni Sciences.

Oltre alle applicazioni in polizia e difesa, L'Islam vede un futuro per la tecnologia in medicina. Ad esempio, i campioni di tessuto vengono analizzati chimicamente in laboratorio, un processo che richiede tempo e materiali. Islam pensa che il laser potrebbe fornire una valutazione del contenuto chimico sul posto. Potrebbe anche essere possibile far passare il raggio attraverso un cannocchiale e analizzare i tessuti direttamente nel corpo.

Il laser è descritto nella rivista Lettere di ottica , in un articolo intitolato, "Generazione di supercontinuo nel medio infrarosso da 1,6 a> 11 micrometri utilizzando fibre concatenate di fluoruro e calcogenuro a indice graduale."