三家公司齐上阵，美国情报机构探索新技术：30 米外探测致命化学物

今年 3 月，前俄罗斯情报官员、双面间谍 Sergei Skripal 和他的女儿 Yulia 在英国索尔兹伯里（Salisbury）遭受神经毒素攻击。但受害者不止他们二人。有近 40 人感到身体不适，其中包括三名住院的警察，一名警察住院超过两周。一批身穿防护服的化学专家检查了 Skripal 最近出现的所有地方，希望了解事情真相并为公众排除安全威胁。

 

图丨两名受害者被发现之后，调查人员在英国的一处场地检测神经毒剂的踪迹

 

而与此同时，美国情报机构也一直在寻找一种技术，希望能快速、安全地探测化学毒素，甚至能阻止此类攻击事件的发生。美国情报高级研究计划局 (IARPA) 的 SILMARILS 项目预计在 2021 年年中结束，届时将会提供一种解决方案：一种只需要指纹剂量的便携式扫描仪，它可以在 5 到 30 米的距离内识别 500 种化学品。

项目负责人 Kristy DeWitt 解释到，目前使用所谓的拉曼光谱（Raman spectra）就已经可以探测这种化学特性。该技术使用单色激光，当光束被扫描材料散射时会产生各种波长的少量光子，通过波长大小和光子相对丰度就能鉴别材料特性。

但该技术的不足之处在于次级光子的剂量非常小，需要很强的激光（强到能灼伤人眼）才能探测到。如果要扫描机场里的行人，这种方法就不适用了。

 

图丨便携式扫描仪，由 Block MEMS 制造的量子级联激光器是为 SILMARILS 开发的几种间隔式化学检测方法之一

 

SILMARILS 系统正研究使用红外光谱探测，并通过很少的反射光子就探测光谱特征。用频谱更广的红外线意味着可以使用低功率光源，它的危害程度不会超过超市扫描仪。

从事该项目三个团队正开发一套包括照明和光谱分析的完整系统。但三个团队各有所长。国防项目承包商 Leidosis 依靠超连续谱脉冲激光器，该装置通常是掺杂了化学物质的光纤，并且内置有微米或纳米结构来产生特有的非线性效应。具体而言，一些进入光纤的光线会通过激励产生连续光谱。Leidos 和密歇根大学的研究人员研究了一系列具有不同掺杂物的光纤，并产生了波长从 2 微米到 11 微米的超连续谱激光。

位于马萨诸塞州马尔伯勒市（Marlborough）的 Block MEMS 公司也在使用专用激光器，尽管这种激光器的实验性较差。公司已经提供了几种基于量子级联激光器的化学检测产品。这些激光器由精确控制在亚纳米厚度的半导体制成。对电子而言，这些半导体层如同能量“台阶”，每进一步就要发射一个光子。Block MEMS 的 CEO Petros Kotidis 解释说，公司的技术瓶颈是要通过调整半导体外部的光学元件来快速扫描一系列红外波长。

火奴鲁鲁（Honolulu）的一家公司 Spectrum Photonics 依靠经验建造了紧凑、低功耗超光谱成像系统。这些基于照相机的光谱仪系统能捕捉一系列快速图像，每个图像都包含有编码的空间和波长信息。Spectrum Photonics 总裁 Ed Knobbe 说，公司正为 SILMARILS 项目研发可以探测波长在 1.2 微米（近红外波）到 13.5 微米（远红外波）的光谱成像测量系统。“大部分主要光谱信息都在远红外波内，”Knobbe 解释说。“但中红外波和近红外波也有大量补充信息。”

DeWitt 说，现在的主要工作是解析反馈信号而不是光束，因为前者是系统的大脑。“其中一个最难的问题是化学试剂粘附在物体表面与悬浮在空气中时具有不同特征。当物体表面有少量化学品时，光谱会因底物与粒子大小的不同而显著变化。”

如果有团队能解决剩余的问题，该技术在情报机构之外也将大有用武之地。“它将改变间隔探测的理念，”Block MEMS 的 CEO Kotidis 预测。

对于 Leidos 的主要研究人员 Augie Ifarraguerri 而言，这是梦想成真。他说：“总有一种感觉，我们能制造出终极传感器——《星际迷航》里的三录仪。”Ifarraguerri 在 90 年代开始职业生涯，那时“它似乎遥不可及”。但当这项技术正成为现实，他终于要完成 30 年前的梦想了。

 

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编辑：孙小彪

参考：

https://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/us-spy-agencies-seek-tech-to-identify-deadly-chemicals-from-30-meters-away

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