中紅外光譜(MIR)是一種很有前途的痕量表麵化學物質的離子檢測方法，因為(wei) 大多數物質在光譜的MIR部分具有強烈而獨特的吸收特征。我們(men) 的檢測方法，稱為(wei) 主動MIR高光譜成像(HSI)，包括使用波長可調激光器與(yu) 高速相機相結合，以捕獲目標表麵反射率的高光譜圖像(即超立方體(ti) )。
利用波長可調量子級聯激光器對痕量化學物質表麵進行高速和大麵積掃描
如圖1所示，波長可調的MIR激光器照亮感興(xing) 趣的目標，反射光被相機捕獲。隨著激光波長的調整，相機同步捕捉反射光的圖像。對原始超立方體(ti) 進行處理以校正背景熱輻射和照明激光束的強度模式，以生成代表目標表麵反射率的超立方體(ti) 。然後對反射超立方體(ti) 進行分析，並與(yu) 光譜特征參考庫進行比較，以生成檢測圖，該檢測圖可以識別目標表麵上的任何化學汙染並繪製空間圖。如圖所示，也可以檢測到可能存在於(yu) 光束路徑中的氣體(ti) 的存在。
圖1
圖2
外腔量子級聯激光器(ec - qcl)用於(yu) 對目標的照明。這些都是基於(yu) Block Engineering的Mini-QCL™，如圖2所示，這是一個(ge) 微型，廣泛可調，高速，堅固的EC-QCL。它們(men) 的商用波長在5.4到13 μm之間。我們(men) 的係統目前使用兩(liang) 個(ge) mini - qcl，其輸出使用分束器組合。圖2繪製了兩(liang) 種激光器在占空比為(wei) 5%時的平均功率與(yu) 波長的關(guan) 係。激光器可在7.7 - 10.3um (1300 - 970 cm-1)和9.8 - 11.8um (1020 - 850 cm-1)的波長範圍內(nei) 調諧，平均功率分別為(wei) 26 mW和7 mW。未來係統的增強將包括多路複用額外的激光器，以增加光譜範圍，並結合可以產(chan) 生大約50倍功率的激光器。
在圖像捕獲方麵，該係統使用40 μm像素的ln2冷卻HgCdTe焦平麵陣列(FPA)，能夠以高達每秒1600幀(fps)的速度捕獲128x128像素幀。在子窗口模式下，16x96像素的幀可以以9400 fps的速度捕獲。
圖3
圖4
激光和相機觸發都由快速數字輸入/輸出(DIO)模塊控製，這樣幀捕獲與(yu) 每個(ge) 波長的激光照明同步。一個(ge) 典型測量序列的結果顯示在圖3。這種特殊的測量隻使用一個(ge) 激光器，但過程與(yu) 使用多個(ge) 激光器的情況相似。EC-QCL在波長上進行掃描，而相機在0.1秒內(nei) 捕獲了總共150幀。在這些幀中，有137幀的表麵被不同波長的激光照射，而13幀是“黑暗”的，沒有激光照射。暗幀用於(yu) 測量，然後減去被動熱背景。對於(yu) 這種測量，樣品由粗糙的鋁組成，其中部分被矽脂汙染。光學元件被布置成以128 x 128像素對樣品進行成像，空間分辨率為(wei) 80 um。1平方厘米的測量麵積被激光束充分照射。由反射超立方體(ti) 得到的清潔區和汙染區的反射光譜清晰地顯示了矽酮在1025、1075和1260 cm-1處的吸收峰。
對於(yu) 較大表麵的測量，該係統具有集成的基於(yu) 振鏡的兩(liang) 軸掃描鏡係統(掃描儀(yi) )，以光柵掃描整個(ge) 表麵的激光照明。圖4以圖形方式描述了這一點。柵格掃描也允許人們(men) 選擇更小的光束尺寸(從(cong) 而更高的平均影響)，代價(jia) 是更長的總捕獲時間。
使用幹轉移技術將固體(ti) 粉末的痕跡国产成人在线观看免费网站於(yu) 各種室外表麵。表麵包括石頭屋麵瓦、混凝土、瀝青和沙子。圖5顯示了100 ug咖啡因在屋麵瓦上的測量結果，測量距離為(wei) 0.4 m。對於(yu) 這些測量，使用了兩(liang) 個(ge) ec - qcl來獲取跨越850 - 1300 cm-1波數範圍的超立方體(ti) 。用底物的反射率對測得的反射率進行歸一化後，樣品中被汙染部分的反射率與(yu) 咖啡因粉末的文庫光譜非常吻合。如圖5所示，国产成人在线观看免费网站這種歸一化後，根據與(yu) 咖啡因粉末反射率的光譜相似性，將檢測分數與(yu) 超立方體(ti) 中的每個(ge) 像素關(guan) 聯起來，然後国产成人在线观看免费网站閾值來創建檢測圖。圖6顯示了在距離為(wei) 5米的距離上對各種表麵上咖啡因痕跡的檢測結果。圖7展示了該係統在5米距離內(nei) 區分和識別混凝土上三種不同化學物質的能力。
圖5
圖6
圖7
為(wei) 了演示超立方體(ti) 的高速獲取，準備了一個(ge) 樣品，其中名稱“BLOCK”的每個(ge) 字母在玻璃基板上以不同的化學物質創建，如圖8所示。化學物質濃度不受控製且相對較高。該樣品的複合超立方體(ti) 得到如下。激光束在目標上進行光柵掃描，分5步(每個(ge) 字母一次)。複合超立方體(ti) 的大小為(wei) 16 x 96像素，因此相機可以以9400 fps的幀率運行。在14 ms的時間內(nei) ，在每個(ge) 點獲得了一個(ge) 總共138幀(其中105幀包含唯yi的照明波長)的超立方體(ti) 。據我們(men) 所知，這是shi界上zui快獲得活躍的MIR超立方體(ti) 。將激光束光柵化穿過五個(ge) 點並獲得原始超立方體(ti) 所需的總時間僅(jin) 為(wei) 74毫秒。測量的各種化學物質的反射光譜與(yu) 預期的反射率相符，除了在850 - 900 cm-1的波數範圍內(nei) 存在偏差。我們(men) 目前正在努力了解這種偏差的原因。盡管如此，我們(men) 相信這個(ge) 演示說明了MIR HSI非常快速掃描表麵痕量化學物質的能力。
圖8
圖9
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