三家公司齊上陣，美國情報機構探索新技術：30 米外探測致命化學物

05-03

今年 3 月，前俄羅斯情報官員、雙面間諜 Sergei Skripal 和他的女兒 Yulia 在英國索爾茲伯里（Salisbury）遭受神經毒素攻擊。但受害者不止他們二人。有近 40 人感到身體不適，其中包括三名住院的警察，一名警察住院超過兩周。一批身穿防護服的化學專家檢查了 Skripal 最近出現的所有地方，希望了解事情真相併為公眾排除安全威脅。

而與此同時，美國情報機構也一直在尋找一種技術，希望能快速、安全地探測化學毒素，甚至能阻止此類攻擊事件的發生。美國情報高級研究計劃局 (IARPA) 的 SILMARILS 項目預計在 2021 年年中結束，屆時將會提供一種解決方案：一種只需要指紋劑量的攜帶型掃描儀，它可以在 5 到 30 米的距離內識別 500 種化學品。

項目負責人 Kristy DeWitt 解釋到，目前使用所謂的拉曼光譜（Raman spectra）就已經可以探測這種化學特性。該技術使用單色激光，當光束被掃描材料散射時會產生各種波長的少量光子，通過波長大小和光子相對丰度就能鑒別材料特性。

但該技術的不足之處在於次級光子的劑量非常小，需要很強的激光（強到能灼傷人眼）才能探測到。如果要掃描機場里的行人，這種方法就不適用了。

圖丨攜帶型掃描儀，由 Block MEMS 製造的量子級聯激光器是為 SILMARILS 開發的幾種間隔式化學檢測方法之一

SILMARILS 系統正研究使用紅外光譜探測，並通過很少的反射光子就探測光譜特徵。用頻譜更廣的紅外線意味著可以使用低功率光源，它的危害程度不會超過超市掃描儀。

從事該項目三個團隊正開發一套包括照明和光譜分析的完整系統。但三個團隊各有所長。國防項目承包商 Leidosis 依靠超連續譜脈衝激光器，該裝置通常是摻雜了化學物質的光纖，並且內置有微米或納米結構來產生特有的非線性效應。具體而言，一些進入光纖的光線會通過激勵產生連續光譜。Leidos 和密歇根大學的研究人員研究了一系列具有不同摻雜物的光纖，併產生了波長從 2 微米到 11 微米的超連續譜激光。

位於馬薩諸塞州馬爾伯勒市（Marlborough）的 Block MEMS 公司也在使用專用激光器，儘管這種激光器的實驗性較差。公司已經提供了幾種基於量子級聯激光器的化學檢測產品。這些激光器由精確控制在亞納米厚度的半導體製成。對電子而言，這些半導體層如同能量「台階」，每進一步就要發射一個光子。Block MEMS 的 CEO Petros Kotidis 解釋說，公司的技術瓶頸是要通過調整半導體外部的光學元件來快速掃描一系列紅外波長。

火奴魯魯（Honolulu）的一家公司 Spectrum Photonics 依靠經驗建造了緊湊、低功耗超光譜成像系統。這些基於照相機的光譜儀系統能捕捉一系列快速圖像，每個圖像都包含有編碼的空間和波長信息。Spectrum Photonics 總裁 Ed Knobbe 說，公司正為 SILMARILS 項目研發可以探測波長在 1.2 微米（近紅外波）到 13.5 微米（遠紅外波）的光譜成像測量系統。「大部分主要光譜信息都在遠紅外波內，」Knobbe 解釋說。「但中紅外波和近紅外波也有大量補充信息。」

DeWitt 說，現在的主要工作是解析反饋信號而不是光束，因為前者是系統的大腦。「其中一個最難的問題是化學試劑粘附在物體表面與懸浮在空氣中時具有不同特徵。當物體表面有少量化學品時，光譜會因底物與粒子大小的不同而顯著變化。」

如果有團隊能解決剩餘的問題，該技術在情報機構之外也將大有用武之地。「它將改變間隔探測的理念，」Block MEMS 的 CEO Kotidis 預測。

對於 Leidos 的主要研究人員 Augie Ifarraguerri 而言，這是夢想成真。他說：「總有一種感覺，我們能製造出終極感測器——《星際迷航》里的三錄儀。」Ifarraguerri 在 90 年代開始職業生涯，那時「它似乎遙不可及」。但當這項技術正成為現實，他終於要完成 30 年前的夢想了。