中紅外反射特征結合**級聯激光器QCL用于檢測表面微量化學物質

時間：2023-02-14

中紅外光譜學是一個有前景的方法用于非接觸式的檢測，Blockeng利用**級聯激光器檢測表面微量化學的一種方式。因為大多數物質在光譜的中紅外部分具有強而*特的吸收特征，我們的探測方法，主動式中紅外高光譜成像（HSI），包括在與高速相機相結合，捕捉目標表面的高光譜圖像（即**立方體反射光譜。對這些**立方體進行了光譜特征分析，展示出了用于化學檢測的優(yōu)點。這項技術的一個非常重要的應用是探測微量爆炸物。

文章出自block engineering官網（Blockeng）。Derek Wood, David B. Kelley, Anish K. Goyal, Petros Kotidis的Mid-infrared reflection signatures for trace chemicals on surfaces。

**立方獲取

中紅外高光譜成像系統中，包括了一臺**級聯激光器，用于激光照明。圖一展示了測試樣品的平臺結構圖片，為了實現70微米的高空間分辨率，與樣品間的非接觸式探測的距離僅8cm。使用兩臺Block Engineering的**級聯激光器（Mini-QCL和EC-QCL）可以獲得復合了波長范圍在7.7~11.8微米256個波長信息的**立方。激光束在目標上進行光柵掃描以獲取8.8*8.8mm²的成像區(qū)域。

黑色鍵盤鍵上的PETN樣本由海軍研究實驗室提供。PETN是使用干法轉移技術在50μg至0.2μg的化學負載下沉積在了小的局部區(qū)域。

圖1. 用中紅外波長可調諧激光器進行高光譜成像

結果分析

依照中紅外光譜學的分析方法和Blockeng**級聯激光器檢測手段，圖2顯示了對加了50微克的PETN的樣品探測圖的生成過程。如圖所示，是**立方的樣本和框架的可視的圖像。對**立方體進行分析，以從污染區(qū)域中區(qū)分清潔的區(qū)域。為了達成實驗目標，我們計算了給出像素和與它相鄰的像素的測量光譜之間的差異，如果這個值**某個閾值，該像素就被假定為僅包含清潔區(qū)域。這些被識別為含有清潔基板的像素在圖2.4中的檢測圖上顯示為紅色像素。每個“干凈”像素的平均反射光譜被認為是襯底光譜的較佳估計值，圖2.5中以紅色繪制。

我們隨后使用這些數據用自適應余弦估計（ACE）算法去尋找被PETN污染的像素。我們的模型對于期待的PETN反射光譜來說，是用簡單的MIE散射模型去計算得到。使用以前測量的PETN的復折射率數據作為輸入。閾值應用于產生ACE探測分數以獲得探測圖，被PETN污染的像素，使用該方法以藍色顯示。污染像素的平均光譜如圖中的藍色曲線所示如圖2.5。清潔和污染區(qū)域的平均光譜清楚地顯示了反射光譜的差異。還應注意，圖2.4所示區(qū)域既沒有干凈的基底，也沒有足夠的強度信號被視為含有PETN，并被標記為“均不”。

圖3顯示了PETN負載為0.2的樣品的結果μg、使用上述分析過程，在33個像素中檢測到該化學物質。在此基礎上，通過假設每個像素被0.2μg，我們估計檢測極限約為6 ng/像素。事實上，我們預計真實閾值甚至小于這個值，因為這個估計假設污染物只均勻分布在這33個像素上，而從可見圖像中可以看出污染物分布較廣。

圖2. 加了50微克PETN的樣品檢測結果

圖3. 加了0.2微克的PETN的樣品檢測結果

圖4顯示了一系列實驗的結果，其中我們使用異丙醇浸泡布。重要的是，即使總共擦了4次，也沒有留下任何可見的痕跡污染的證據，我們試圖清除爆炸物，但仍留下了一個明顯且易于辨認的痕跡殘留用異丙醇擦拭后檢測到的PETN的測量光譜如圖5所示，為紅色（擦除1次）和黃色（擦除4次）曲線。該圖清楚地表明，PETN污染物的光譜表現為在用異丙醇布擦拭后發(fā)生顯著變化（如下文較詳細討論）。盡管如此在**立方體圖像中，殘留污染物仍然*識別為PETN。

圖5解釋了擦拭前后PETN反射光譜觀察到差異的原因。之前用異丙醇擦拭后，PETN樣品被制備成一小堆局部的干粉，并且因此，使用簡單的Mie計算的合成反射光譜可以很好地模擬測量的反射光譜散射模型。該模型如圖5所示，位于左側面板中；較上面的面板顯示測量值粉末PETN的光譜，中心面板顯示了PETN粉末對底部面板顯示了PETN折射率的實際復雜分量。在所有三個幀中，都繪制了垂直線，以**所有三個圖中的相似特征。

在討論擦除后PETN的不同呈現方式之前，首先要注意PETN*被異丙醇溶劑溶解。因此，擦拭后殘留的PETN較多很可能是由于含有的異丙醇薄膜蒸發(fā)掉，留下一層薄薄的鍵盤鍵上的化學物質。因此，在這種情況下，PETN的反射光譜較好建模為薄膜而不是稀疏粉末。

圖5右側的面板展示了Blockeng這種方法成功的原因。測量的反射光譜**部面板中PETN的光譜與中心面板中的模型光譜很好地匹配，這可以通過使用PETN的復折射率數據計算來自光滑表面的鏡面反射。相同的復雜折射率數據中的特征在右側面板和左側面板上**顯示，使其清晰可見兩個光譜中的重要特征位于相同的光譜位置，可見中紅外光譜學和**級聯激光器檢測的優(yōu)勢之處。

圖4. 異丙醇擦除之前與之后的鍵盤上的PETN探測結果以及擦除之后的反射光譜特征變化

圖5. 取決于固體是否是固體顆?；虮∧ば问降姆瓷涔庾V特征。用異丙醇擦試過的PETN被觀測類似薄膜

實驗結論

運用中紅外光譜學，block engineering展示了中紅外高光譜成像在現實世界表面檢測痕量爆炸物水平的能力。對于應用于鍵盤鍵的PETN，我們獲得了**每像素6ng的檢測極限。爆炸殘留物即使在使用異丙醇擦拭表面幾次后仍然可以檢測到，并且沒有可見的污染殘余固體顆粒（即Mie散射）和薄膜的簡單特征模型解釋了許多光譜在化學特征中觀察到的特征。

聲明

Blockeng這項工作已通過AFRL合同FA8650-16-C-9107得到IARPA SILMARILS項目的支持。我們感謝SILMARILS項目經理Kristin DeWitt博士的支持和*指導。我們很感激海軍研究實驗室（Andy McGill、Chris Kendziora和Robert Furstenberg）提供測試樣品。我們還感謝與阿爾卑斯激光公司SILMARILS團隊成員的多次互動（理查德·莫里尼）以及系統與技術研究（Gil Raz、Cara Murphy、Mark Chilenski和Robert Argo）。

參考文獻

Derek Wood, David B. Kelley, Anish K. Goyal, Petros Kotidis, "Mid-infrared reflection signatures for trace chemicals on surfaces," Proc. SPIE 10629, Chemical, Biological, Radiological, Nuclear, and Explosives (CBRNE) Sensing XIX, 1062915 (16 May 2018); doi: 10.1117/12.2304453

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詞條
詞條說明
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