Un prototype de capteur chimique développé à l'Université du Michigan sera capable de détecter des "quantités d'empreintes digitales uniques" de substances à une distance de plus de 100 pieds, et ses développeurs s'efforcent de le réduire à la taille d'une boîte à chaussures.

Il pourrait potentiellement être utilisé pour identifier des traces de drogues et d'explosifs, ainsi que d'accélérer l'analyse de certains échantillons médicaux. Un capteur chimique infrarouge portable pourrait être monté sur un drone ou porté par des utilisateurs tels que des médecins, police, les douaniers et les soldats.

Le capteur est rendu possible par un nouveau laser à fibre optique qui combine une puissance élevée avec un faisceau qui couvre une large bande de fréquences infrarouges - de 1,6 à 12 microns, qui couvre les infrarouges dits ondes moyennes et ondes longues.

"La plupart des produits chimiques ont des signatures d'empreintes digitales entre environ 2 et 11 microns, " a déclaré le chercheur de l'U-M Mohammed Islam, qui a développé le laser. "D'où, cette plage de longueurs d'onde est appelée « région d'empreinte spectrale ». Ainsi, notre appareil permet l'identification des solides, cibles liquides et gazeuses en fonction de leur signature chimique.

Le projet est une collaboration entre U-M, entreprise technologique mondiale Leidos, les fabricants de fibres IRflex et CorActive et la startup UM Omni Sciences, qui a été fondée par l'Islam. Le projet est financé par l'activité des projets de recherche avancée du renseignement des États-Unis.

Islam, professeur U-M de génie électrique et informatique et de génie biomédical, et son équipe ont construit leur appareil avec des fibres optiques et des composants de télécommunications prêts à l'emploi, économisez une fibre optique sur mesure. Cette approche garantit que le laser sera fiable et pratique à fabriquer à un coût raisonnable.

"Nous avons montré que nous pouvons gagner 10 $, 000 laser qui peut tout faire à 60 $, 000 laser peut faire, " a dit l'Islam.

Les lasers infrarouges à large bande sont généralement construits à partir d'un laser qui produit des impulsions lumineuses très courtes, puis une série d'amplificateurs augmente la puissance, mais cette approche est limitée aux laboratoires. En plus de leurs coûts élevés, ces composants ne peuvent pas encore rétrécir suffisamment pour tenir dans un appareil portable. Plus, l'utilisation de lentilles et de miroirs rendrait l'appareil sensible aux bousculades et aux changements de température.

Pour fabriquer leur nouveau laser, l'équipe a commencé avec une diode laser standard, similaires à ceux des pointeurs laser et des lecteurs de codes-barres. Cette impulsion a ensuite été augmentée en puissance avec des amplificateurs de télécommunications, similaires à ceux utilisés sur le terrain pour augmenter périodiquement la sauvegarde des signaux vocaux à mesure qu'ils diminuent sur de longs trajets à travers les lignes à fibre optique. Puis ils ont couru ce puissant, signal à large bande via une bobine de fibre optique de 2 mètres.

"C'est là que la magie entre en jeu, " a déclaré Islam. " Nous avons mis ces impulsions d'environ une nanoseconde à cette puissance élevée et elles se décomposent en séries très étroites de petites impulsions courtes, généralement moins d'une picoseconde de largeur. Donc en gros pour le prix de 20 centimes de fibre, nous obtenons le même type de sortie que les lasers à verrouillage de mode très coûteux."

Puis, dans un processus connu sous le nom de « génération de supercontinuum », " ils ont étendu les longueurs d'onde couvertes par cette lumière en l'envoyant à travers des fibres de verre plus douces spécialisées. La plupart des lasers émettent de la lumière d'une seule longueur d'onde, ou couleur. Mais les lasers supercontinuum émettent un faisceau focalisé rempli de lumière provenant d'une gamme de longueurs d'onde beaucoup plus large.

Lasers supercontinuum à longueur d'onde visible, par exemple, décharger des colonnes serrées qui apparaissent blanches car elles contiennent de la lumière provenant de tout le spectre visible. Le laser supercontinuum infrarouge à large bande d'Islam fait l'équivalent, mais dans des longueurs d'onde infrarouges plus longues.

Pour utiliser l'appareil, les chercheurs braquent le laser sur un objet et analysent la lumière réfléchie pour identifier les longueurs d'onde qui n'ont pas rebondi. Ils peuvent identifier les produits chimiques par le modèle unique de longueurs d'onde infrarouges qu'ils absorbent.

L'équipe a démontré avec succès le laser pour l'activité de projets de recherche avancée du renseignement américain en août 2017, analyser 70 échantillons mystères sur deux jours de tests. La phase 2 du projet consistera à réduire le système à la taille d'une boîte à chaussures, un processus qui sera dirigé par Leidos et Omni Sciences.

En plus des applications dans la police et la défense, L'Islam voit un avenir pour la technologie en médecine. Par exemple, les échantillons de tissus sont analysés chimiquement en laboratoire, un processus qui prend du temps et du matériel. Islam pense que le laser pourrait fournir une évaluation du contenu chimique sur place. Il peut même être possible de faire passer le faisceau à travers un oscilloscope et d'analyser les tissus directement dans le corps.

Le laser est décrit dans le journal Lettres d'optique , dans un article intitulé, "Génération de supercontinuum dans l'infrarouge moyen de 1,6 à> 11 micromètres utilisant des fibres de fluorure et de chalcogénure à saut d'indice concaténés."