基于Block Engineering量子级联激光器的对生化威胁的非接触检测
美国Block Engineering量子级联激光器
Petros Kotidis, Erik R. Deutsch, Anish Goyal发表了一篇名为Standoff detection of chemical and biological threats using miniature widely tunable QCLs的文章。文中介绍了，为了应对这种对防区外探测的强烈需求，Block engineering MEMS，LLC（“Blockeng”）开发了此类产品。它的一些防区外化学检测系统正在保护关键基础设施。最近，一项关键技术被引入，使更多的防区外应用成为可能。基于一种新型激光器，量子级联激光器（QCL），它大大扩展了中红外光谱学。Block engineering是使用基于Blockeng QCL的中红外光谱学的领先公司，用于防区外探测应用的，并通过几种新产品证明了这一能力产品。这些应用是由以下几项关键技术成就实现的。
- 2.可调谐量子级联激光器模组
该领域的关键功能之一是开发微型QCL模块，即Mini QCL™模块，用作Blockeng所有基于QCL的产品中的“引擎”。这样的系统架构提供了极好的灵活性，因为它允许产品开发在Blockeng为每个应用程序量身定制产品并与之匹配以最小的工作量和短的开发周期满足特定的应用需求。图1显示了Mini-QCL与美国四分之一硬币相比。在模块内部，Blockeng使用了外腔调谐配置来调谐中红外光谱。该模块介绍了实现开发的几个关键特性如本文后面所述的关键应用。表1总结了迷你QCL的性能规格。然而，有一些关键特性，使该模块成为独一无二的世界领先产品。首先，每个模块覆盖了中红外光谱5.2-13µm范围内的任何波长。每个模块的射程通常超过250 cm-1并且可以从中获得几个可选选项。Blockeng的防区外产品的设计可容纳多达四个这样的模块，因此用户可以轻松满足其应用需求。
图1. Blockeng的Mini-QCL模组，基于外腔设置
在四个模块的最大系统级别，提供范围超过1100 cm-1，能够检测中红外光谱的“指纹”区域（即5.2-13µm）中的大多数化学品。这样的当需要能够容易地重新配置以检测不断变化的通过简单地升级这些系统的内置库而不改变任何硬件其次，这些模块提供了当今世界上最快的调谐速度，可实现非常宽的频谱范围，以毫秒为单位覆盖指定的光谱范围。例如，如果1000 cm-1选择范围，然后Blockeng QCL在大约40毫秒内或以25 cm-1的速度在该范围内调谐/毫秒。这种快速扫描能力以该速率采集光谱，当需要手持应用时，远距离检测非常关键。在里面在这些情况下，典型的手抖动可能会影响测量结果，但这种超快速的调整基本上会在时间上“冻结”目标到探测器的相对位置，并提供可靠的测量。第三，Blockeng QCL光束具有良好的指向性稳定性（<1mrad），这对于涉及远距离的应用至关重要。此外，这种能力适用于整个光谱范围，这通常很难实现，因为Blockeng系统覆盖的波长（5.2-13µm）。第四，Mini QCL封装在一个密封的小型化内置热电冷却器（TEC）的外壳，提供了高度可靠、坚固和稳定的系统。众所周知的制造和包装技术，在过去15年中发展起来的电信应用也已在Blockeng的制造设施中用于这些模块。最后，它是非常重要的一点是，Mini QCL模块是由非常紧凑、快速、定制设计和制造的电子产品，为终端用户或OEM客户提供灵活的选择和替代方案。电子设备已经采用模块化架构设计，用户可以选择与其特定的电路板或电路板组合应用。这种设计理念允许Blockeng使用相同的电路板，不仅适用于其所有最终用户产品其OEM配置。软件开发工具包（SDK）通常提供给OEM客户，因此他们可以开发自己的接口和系统控制。
- 远距离应用
中红外光谱学是所有拟议应用中使用的基本技术。这项技术已经在物质分析领域应用了一百多年，并且得到了很好的成绩。众所周知的仪器，如傅里叶变换红外（FTIR）分析仪或非色散红外（NDIR）传感器，几十年来一直用于检测和识别化学和生物威胁。然而，基本上所有这些仪器都需要对目标进行物理采样，因此“相隔甚远”“检测”实际上是不可能的。当今QCL的商业化和成熟度消除了这一限制现在已经开放了许多以前政府/军方以及商业市场。布洛克曾在多份政府合同下工作，用于化学战防区外探测等应用探员（CWA）、防区外探测痕量和散装爆炸物以及探测受干扰的地面士兵掩埋的简易爆炸装置。Blockeng的QCL产品的商业市场也很广阔，目前的客户包括许多《财富》100强公司的应用，如检测石油和天然气中的碳氢化合物和其他气体，在制造过程中涂装前检测残留的表面污染物，在线实时分析医疗设备涂层和高分辨率、高速、红外化学2D成像，用于取证、工业质量控制和医学研究。
3.1 远距离探测表面生物威胁
Blockeng的产品之一LaserScan™ 分析仪，使用多个Mini-QCL™ 内部模块，由波多黎各大学，美国国土安全部卓越中心，用于检测和鉴定各种模拟细菌，图2显示了这些测量的结果。化学计量算法，如主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA），用于提取和放大激光扫描采集的红外光谱的差异并且，在应用某些阈值进行检测后，如图所示，显示了良好的分离需要指出的是，这些测量和检测可以实时进行，因为Blockeng的QCL系统在毫秒内提供完整的红外光谱，因此可以做出探测和识别的最终决定几秒钟后。因此，这些结果的关键信息是，基于QCL的系统能够检测不同细菌之间的化学差异，并提供了良好的区分。
图2. 基于QCL的激光扫描分析仪，对菌群进行远距离非接触探测和分辨
3.2 表面化学污染物的远距离检测
Blockeng还将其基于QCL的防区外探测器应用于许多表面化学威胁的探测，包括CWA、炸药和模拟物。图3显示了Blockeng检测甲基的选定测试结果水杨酸盐（MeS），一种CWA模拟物，以及RDX，一种军用级炸药。激光扫描的典型距离设备的范围在6-12英寸之间，但更大的收集光学器件也可以实现更长的距离。图3所示的特征丰富的光谱表明，这种物质的检测是可以完成的可以实现检测水平。重要的是要指出，在这些距离测量中，复杂的相互作用当要检测痕量时，可以观察到污染物和基质之间的相互作用。以下内容一节更详细地描述了这些挑战。
图3. 基于QCL的激光扫描分析仪，对MeS和RDX进行远距离非接触探测和分辨
3.3表面威胁非接触探测的挑战
表面威胁的检测涉及液滴、薄膜或固体形式的污染物。取决于数量分散在相对较大的表面。对于表面上的污染物薄层或薄膜，挑战与以下事实有关：反射回探测器的光谱包含涉及薄膜和衬底的光谱特征。因此从胶片中的化学物质收集的光谱看起来“扭曲”或“混合”，并且通常与库中的吸收光谱，因为它还包含衬底的光谱特征以及来自各个接口的折射特征。微量沉积物的信息可以从混合通过应用Kramers-Kronig（KK）变换。Blockeng开发了复杂的光学模型，可以预测使用小波变换、匹配滤波器和分离影响并检测微量沉积物的其他技术。作为表面复杂性的一个例子反射光谱，图4显示了使用Blockeng模块对表面薄膜进行模拟的结果。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被用作模拟污染物，玻璃被选定为基质用于此建模模拟。光谱从裸衬底（玻璃）光谱（黑线）上无沉积物转变随着薄膜厚度的增加，厚靶光谱（如250µm–蓝线所示）类似于纯PMMA的光谱。在这种形状转变过程中，光谱出现“扭曲”，与纯光谱不同PMMA，需要“校正”，使用Blockeng模块，以便使用标准库。
图4. 玻璃上聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜的模拟反射率随薄膜厚度的增加而增加
3.4 关键设施化学攻击保护-LaserWarn™ 探测器
化学战剂（CWA）和有毒工业化学品（TIC）已被确定为对关键设施的威胁。这些设施上方可能释放“化学或有毒云”可能导致人员大量伤亡。此外，最近违反禁止在叙利亚使用化学武器的国际法加大了这种威胁。控制和国家应急中心、国家机构大楼、运输码头、大使馆、，前方作战基地（FOB）、情报设施和其他关键基础设施是需要保护的设施，如图所示。需要持续监视能力扫描设施的周围环境，提供实时、全天候的威胁“预警”。Blockeng提供了一种基于QCL的功能，即LaserWarn™ 探测器，用于此应用。系统如所示图5，它使用了一套小型微型QCL的“发动机”，覆盖了大部分大气传输窗口超过7-13µm。使用眼睛安全的QCL，它们可以传输到数公里，覆盖范围非常大例如体育场或机场航站楼。内置库用于将测量的光谱与以提供对化学威胁的实时检测和识别。
图5. LaserWarn™ 探测器用于保护关键、室内和室外设施
图6显示了如何使用此类系统的示例，其中显示了向设施中的模拟发布。使用一套低成本的镜子和反光镜，LaserWarn建立了一个不可见的、眼睛安全的激光束网。如果化学云穿过激光网格的任何部分，就会进行即时检测，并制定安全协议为保护设施内的人员而发起。这本质上是一种“化学绊线”，当化学物质穿过它。LaserWarn完全不需要消耗品，可以在连续的24/7模式下无人值守操作。
图6. LaserWarn™能够全天候保护关键设施免受化学攻击
LaserWarn的典型安装从威胁评估阶段开始，该阶段确定激光的模式，然后Blockeng的工程师为最终安装设计了镜子和反光镜的最佳布局。这个LaserWarn系统的探测极限取决于化学云的长度。据估计，对于典型的表给出了一些常见化学威胁的估计检测极限（ppb），假设路径为50m。
表1. LaserWarn ™ 常见化学威胁的检测限
3.5.使用QCL–LaserScan-DE对地雷进行非接触检测
Blockeng还开发了手持系统LaserScan™-DE，用于检测扰动的土壤，可能是埋设简易爆炸装置（IED）的指示。徒步士兵通常是这些武器的使用者设备，可以消除干扰地表的主观“视觉”线索，昼夜运行。Blockeng根据合同完成了几项现场测试，目前正在为数据分析。结果可以在适当的限制和控制下提供给相关机构。
图6. 徒步士兵对扰动地球的实时防区外探测
- 4.结论
利用新型QCL证明了其对化学和生物威胁的防区外探测的宽调谐范围和超快扫描速度。Blockeng对这些QCL的小型化也使得开发可用于现场测量以及固定安装的手持便携式设备，在这种情况下可以使用更紧凑的仪器。已探测到地面和露天威胁正在评估化学和生物安全的新应用的数量。作为Daylight Solutions的有力替代品是值得选择的产品。
- 5.参考文献
Petros Kotidis, Erik R. Deutsch, Anish Goyal
Standoff detection of chemical and biological threats using miniature widely tunable QCLs
Block MEMS, LLC, 377 Simarano Drive, Marlborough, MA 01752
