EC-QCL高光谱成像：重新定义表面痕量化学物质的检测

产品指南2026-10- 23

文献来源：Kelley D. B., Wood D., Goyal A. K., Kotidis P. High-speed and large-area scanning of surfaces for trace chemicals using wavelength-tunable quantum cascade lasers. Proc. SPIE 10629, Chemical, Biological, Radiological, Nuclear, and Explosives (CBRNE) Sensing XIX, 1062909 (2018). DOI: 10.1117/12.2304387

一、表面痕量化学物质检测的瓶颈

在反恐安检、法医学取证和危险品处置场景中，对车辆、行李、衣物等大面积表面的痕量化学物质（如爆炸物残留、毒品、化学战剂）进行快速筛查，是保障公共安全的关键需求。然而，现有技术手段在这一领域长期面临着高光谱分辨率与高通量采集速度不可兼得的根本性矛盾。

外腔量子级联激光器（EC-QCL）的高光谱功率密度与波长快速调谐能力，为突破这一速度瓶颈提供了可能。本研究展示了一套基于EC-QCL主动照明的紧凑型高光谱成像系统，在0.1 s内即可完成包含137个波长的三维高光谱数据立方体采集，较传统FTIR成像光谱仪提速2–3个数量级。

二、系统构成及优势

（1）高光谱功率密度

系统采用两台商业化EC-QCL，这是一种小型、可广泛调谐、高速且坚固耐用的外腔量子级联激光器。它们的总波长范围约为5.4–13 μm，系统目前使用两个Mini-QCL，其输出使用分束器组合：

• 激光器1：调谐范围7.7–10.3 μm（1300–970 cm⁻¹），平均功率26 mW；

• 激光器2：调谐范围9.8–11.8 μm（1020–850 cm⁻¹），平均功率7 mW。

两台激光器的功率谱经合束后覆盖更宽的波长范围，确保关键指纹区无光谱间隙。未来的系统增强将包括多路复用附加激光器以增加光谱范围，并结合可产生约50倍的功率提升。

两台Mini-QCL的平均功率谱，8–10 μm激光器（橙色）峰值功率约26 mW，10–12 μm激光器（蓝色）峰值功率约7 mW。

EC-QCL的光谱功率密度较传统热辐射光源（Globar）高出10⁴倍以上，这是远距离主动照明方案可行性的物理前提。热辐射光源的输出功率仅为μW/cm²量级，在数米量级的距离上几乎无法提供有效的目标照明。而EC-QCL的相干高功率输出，使系统将中红外激光投射至5 m外的目标表面并收集漫反射信号成为可能。

（2）高超光谱采集速度

系统的核心技术创新在于将EC-QCL的快速波长调谐与高速红外焦平面阵列的时间分辨能力深度融合，实现了前所未有的采集速度：

• 相机参数：液氮冷却（LN₂-cooled）HgCdTe焦平面阵列（FPA），40 μm像素尺寸，128 × 128像素分辨率；

• 帧速率：全帧模式下高达1600 fps（frames per second）；子窗口模式（16 × 96像素）下可达9400 fps；

• 超立方体规格：128 × 128空间像素 × 137个激光照明波长 + 13个暗帧（无激光照明，用于测量并减去被动热背景）= 共150帧/超立方体；

• 总采集时间：0.1 s（100 ms），激光和相机触发均由快速数字输入/输出（DIO）模块控制，实现帧捕获与每个波长激光照射的精确同步；

• 空间分辨率：80 μm，单次测量面积1 cm²，激光束完全照射该区域。

左图：部分被硅脂（Silicone Grease）污染的粗糙铝样品照片；右图：从反射率超立方体导出的清洁区域（clean，黑色/蓝色曲线）和污染区域（contaminated，红色/粉色曲线）的反射光谱，蓝色箭头清晰指示了硅酮在约7.8 μm、8.7 μm和9.5 μm（对应1025 cm⁻¹、1075 cm⁻¹和1260 cm⁻¹）处的特征吸收峰。在金属铝基底上，硅油吸收导致反射率降低（吸收峰向下）。

作为对比，FTIR完成一次完整的光谱测量通常需要数十秒甚至更长时间。当需要处理成百上千个样品或大面积表面时，0.1秒与数十秒的差距将累积为数量级的时间差异。

（3）超高速大面积扫描

为实现更大面积的覆盖，系统集成了双轴振镜扫描器（galvanometer-based scanning mirror system），通过激光束的二维光栅扫描（raster scanning），在不移动相机或样品的情况下，逐块拼接大面积高光谱图像。

在超高速采集演示中，系统准备了一个玻璃基底样品，上面用不同化学物质拼写出5个字母。激光束分5步在目标上进行光栅扫描（每个字母一次）。复合超立方体的大小为16 × 96像素，相机以9400 fps的帧速率运行。每个点位的超立方体采集时间为14 ms（其中105帧包含独特的照明波长）。光栅扫描激光束穿过五个点位、获得原始超立方体的总时间仅为74 ms。据作者所知，这代表了当时世界上最快的主动中红外超立方体获取。

光栅扫描激光束以测量更大表面积的图形模拟。

三、检测性能验证

（1）硅脂污染检测

系统首先以粗糙铝基底上的硅脂污染作为标准测试场景。硅脂在1025 cm⁻¹、1075 cm⁻¹和1260 cm⁻¹处具有特征吸收峰。一个有趣的发现是：在金属铝基底上，硅油吸收导致反射率降低（吸收峰向下）；而在介电HDPE（高密度聚乙烯）基底上，同样的吸收带却导致反射率增加（吸收峰向上）。这一差异源于两种基底表面光学边界条件的不同——金属表面的菲涅尔反射与介电表面的漫反射对吸收层的响应机制截然不同。

（2）咖啡因检测

在0.4 m近距离下，系统对屋顶瓦上的100 μg咖啡因粉末实现了成功检测。通过对每个像素的光谱与咖啡因粉末的参考库光谱进行相似度比较，生成检测分数图，再应用阈值创建二值化检测图，咖啡因污染区域被清晰标记。

100 μg咖啡因粉末涂在屋顶瓦（Roofing Shingle）上的检测结果，检测距离为0.4 m。上图：可见图像、检测分数图和检测图。下图：咖啡因反射率（R_caffeine，蓝色）、基底反射率（R_substrate，红色）以及二者的反射率比值（R_caffeine/R_substrate，蓝色）与咖啡因参考库光谱（Library spectrum for caffeine，黑色）的对比，显示二者高度吻合。

在5 m远距离下，系统对屋顶瓦、沥青、沙子和混凝土四种不同户外基底上的50–100 μg咖啡因粉末均实现了成功检测。这证明了系统不仅具有高灵敏度，还具备对复杂真实基底的适应能力。