紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)的火災(zāi)勘驗應(yīng)用

胡永正 于沛 劉研岑 倪梅 劉閃威

摘要：在火災(zāi)現(xiàn)場救援中，消防人員如何在煙霧和火焰干擾下，快速鎖定待救援目標極為關(guān)鍵。目前，全息技術(shù)所用光源的波長已經(jīng)從可見光擴展到紅外波段，紅外量子級聯(lián)激光器正好覆蓋這個波段，量子級聯(lián)激光器作為全息技術(shù)的光源應(yīng)用于對火災(zāi)現(xiàn)場被火焰和煙霧遮擋待救援人員的搜救工作，可以穿透火焰和煙霧成像，消防人員利用紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)的進行火災(zāi)勘驗，可以快速找到火焰和煙霧后待救援的人和物并實施救援。

關(guān)鍵詞：紅外量子級聯(lián)激光器;全息技術(shù);火災(zāi)勘驗;消防救援

在火災(zāi)現(xiàn)場，人眼無法看到火焰和煙霧后待救援的人和物。已有的紅外熱成像儀無法穿透火焰讓消防人員快速定位待救援人員，因此，在火災(zāi)現(xiàn)場救援中，消防人員如何快速找到煙霧和火焰后待救援人和物是一個非常關(guān)鍵的問題[1-3]。本文主要利用紅外激光器來實現(xiàn)全息技術(shù)的火災(zāi)勘驗應(yīng)用，全息技術(shù)利用光的干涉記錄物體信息，目標物體的物光束與參考光束疊加干涉，利用干涉條紋將物體光波信息記錄下來[1-3]，最后利用衍射原理再現(xiàn)光波信息進行遠距離高清成像，實現(xiàn)全息技術(shù)的火災(zāi)勘驗應(yīng)用，因此這種紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)有巨大的消防應(yīng)用前景。

1? 紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)火災(zāi)勘驗應(yīng)用的研究背景

火災(zāi)是人類常見災(zāi)難之一，雖然消防救援設(shè)備已經(jīng)很先進，但用于火災(zāi)現(xiàn)場定位被煙霧和火焰遮擋的人或物的技術(shù)仍需要改進。傳統(tǒng)的全息技術(shù)光源一般位于可見光波段，在成像時受限于火災(zāi)現(xiàn)場的火焰和煙霧影響，紅外熱成像儀也受到火焰影響，這些都無法讓消防人員快速找到煙霧和火焰后待救援人和物[1-3]。因此，解決煙霧和火焰后待救援人和物的成像就顯得十分重要。使用位于大氣窗口波段的紅外量子級聯(lián)激光器作為光源，避開了780nm～7μm火焰紅外線的干擾，減少了在空氣中的衰減，利用紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)的進行火災(zāi)勘驗，可以穿透火焰和煙霧成像，快速找到火焰和煙霧后待救援的人和物并實施救援[1-3]。

在這樣的一個技術(shù)中最重要的組成部分就是紅外激光器。中紅外量子級聯(lián)激光器（QuantumCascade Lasers，QCLs）誕生于1994年，它們打破了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器在中遠紅外的禁錮[4-5]，中紅外量子級聯(lián)激光器為人類利用中紅外波段提供了有力工具。量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)和普通半導(dǎo)體激光器有源區(qū)不同的是：量子級聯(lián)激光器有源區(qū)是由N個周期的啁啾超晶格結(jié)構(gòu)組成的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于量子限制效應(yīng)，其有源區(qū)電子在導(dǎo)帶的子帶間躍遷，從而實現(xiàn)紅外波段的激射。1994年，J.Faist等人在貝爾實驗室，基于InAlAs/InGaAs材料體系的三量子阱斜躍遷發(fā)光方式，首次實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器的激射，實驗引起轟動。他們所采用的結(jié)構(gòu)能帶圖為三量子阱斜躍遷發(fā)光[4]，為了增強激射，量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)包含了25個周期，每一周期中都包括有源區(qū)、注入/弛豫區(qū)，它們組成一個三能級系統(tǒng)。

紅外量子級聯(lián)激光器應(yīng)用非常廣泛。中紅外波段涵蓋了SO2、NH3、CO等污染性氣體的特征吸收峰，這些光譜學(xué)特征在遠距離探測、大氣污染監(jiān)控等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[6]。此外，3～5μm和8～13μm波段是大氣的兩個低吸收窗口，紅外量子級聯(lián)激光器在該波段以大氣為傳輸媒介，可以進行光信號的長距離傳輸。本文選用8～13μm波段的紅外量子級聯(lián)激光器，這個波段是紅外大氣窗口的一個波段，可以減少光在空氣中衰減，同時避免了火焰發(fā)出的780nm～7μm紅外線的干擾[1-3]，因此這種紅外量子級聯(lián)激光器在紅外全息技術(shù)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

對于消防救援領(lǐng)域，一種可以穿透火災(zāi)煙霧和火焰來探測其后人和物的技術(shù)是目前急需的，這種技術(shù)會極大的增強消防人員的搜救效率。目前，消防部門使用紅外輻射熱測定器和紅外相機可以透過煙霧，但是它們?nèi)菀妆换鹧娴妮椛涓蓴_。本文將研究利用基于紅外量子級聯(lián)激光器的數(shù)字全息技術(shù)在紅外波段透過煙霧和火焰成像應(yīng)用。利用紅外量子級聯(lián)激光器數(shù)字全息技術(shù)記錄一人大小的動態(tài)目標，這在消防救援中對活人救助是非常必要的指標。在已有的文獻報道中[1-3]，利用紅外激光可以穿透煙霧和火焰，把光束照射到人身上，然后再給消防員呈現(xiàn)一個3D的成像，此技術(shù)可以同時記錄多個可移動人的成像[1-3]。消防員如果使用的紅外監(jiān)控攝像機需戴眼鏡，眼鏡易被濃煙阻擋，且紅外攝像機在火焰影響下無法探測到待救援物體[1-3]。而本項目研究的數(shù)字全息技術(shù)可以突破這些局限，在煙霧和火焰中實現(xiàn)對移動的多個人目標進行成像。

總之，針對消防救援面臨的困難，本文將基于紅外量子級聯(lián)激光器的全息技術(shù)在火場中對火焰和煙霧后面的待救援人員搜索和成像，量子級聯(lián)激光器作為全息技術(shù)的光源應(yīng)用于搜救工作，可以穿透火焰和煙霧進行火災(zāi)勘驗[1-3]，幫助消防人員快速找到火焰和煙霧后待救援的人和物并實施救援，是增強消防人員搜救能力的可靠方法。

2? 紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)火災(zāi)勘驗應(yīng)用的研究方法

本文主要基于紅外量子級聯(lián)激光器來實現(xiàn)全息技術(shù)以應(yīng)用于消防救援，研究的主要目的是把紅外全息技術(shù)應(yīng)用于火場搜救工作。全息技術(shù)利用干涉原理記錄光波信息：物體在紅外激光照射下形成物光束，另一部分紅外激光作為參考光束射和物光束進行干涉，把物體光波的各點振幅和相位轉(zhuǎn)換成空間上的強度，利用干涉條紋的間隔和反差將物體光波信息記錄下來[1-3]。然后利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，這是成象過程如下：全息圖猶如一個復(fù)雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象[1-3]。再現(xiàn)的圖像立體感強，具有真實的視覺效應(yīng)。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，故原則上它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖像[1-3]。

本文將利用全息技術(shù)的火場救援裝置設(shè)計如圖2所示[2]，我們將搭建一個可以全息成像的無透鏡離軸裝置，這個裝置用8～13μm波段的紅外量子級聯(lián)激光器作為光源。激光光束首先經(jīng)過一個ZnSe分束器（BS），入射光的80%被分束器反射，20%為透射光。透射光構(gòu)成了參考光，并借助于平面鏡M1反射到ZnSe可變衰減器（VA），然后參考光再借助于另一個平面鏡M2反射到熱成像儀，在入射到成像儀前，先利用可聚焦光束的透鏡L2進行聚焦和放大以保證足夠的強度和近乎平面的波前到達熱成像儀。發(fā)射光構(gòu)成了物光束，在到達目標樣本前，它先經(jīng)過一個ZnSe凸透鏡L1，用以聚焦和放大光束，以便照射比較大的目標物體表面[2]。紅外物光束和紅外參考光束形成紅外全息干涉圖，物光束和參考光束形成的干涉圖樣通過傳感器是優(yōu)化過的，通過可變衰減器作用于參考光束強度來增加條紋的可見性。紅外全息干涉圖由紅外探測器進行記錄，再傳給計算機進行再現(xiàn)，從而對火焰和煙霧后的待救援人和物進行成像，幫助消防人員快速找到火焰和煙霧后待救援的人和物并實施救援[1-3]。

本項目研究的技術(shù)路線如下圖所示。

3? 紅外量子級聯(lián)激光器全息技術(shù)火災(zāi)勘驗應(yīng)用的研究意義

本文選用的紅外量子級聯(lián)激光器波長在8～13μm，光源波長正好位于紅外大氣窗口波段，光在空氣中傳播過程中的衰減較少，同時這種光又可以避免火焰發(fā)出780nm～7μm的紅外線的干擾，因此這種紅外量子級聯(lián)激光器作為光源在紅外全息技術(shù)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。利用這種紅外激光器全息技術(shù)可實現(xiàn)消防救援的火災(zāi)勘驗?？傊?，紅外量子級聯(lián)激光器全息成像技術(shù)是可以穿過煙霧和火焰看清背后事物的有用技術(shù)，特別是一人大小的目標也可以通過全息技術(shù)成像。利用這種技術(shù)制作的火場搜救儀，可以大幅度提高消防搜救的準確性和效率，以減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

參考文獻：

[1]劉萬里，張永安，張亞萍，潘永峰，劉建建.一種基于紅外全息技術(shù)的火場搜救裝置：CN108732903A[P]. 2018-11-02.

[2]M.Locatelli，E.Pugliese，M.Paturzo，V.Bianco，A.Finizio，A.Pelagotti，P.Poggi，L.Miccio，R.Meucci，P.Ferraro.Imaging live humans through smoke and flames using far-infrared digital holography[J].Optics Express， 2013， 21（5）：5379-5390.

[3]楊超.紅外數(shù)字全息圖像增強關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京郵電大學(xué)，2019.

[4]J.Faist，F(xiàn).Capasso，D.L.Sivco，C.Sirtori，A.L.Hutchinson，

A.Y.Cho.QuantumCascadeLasers[J]. Science，1994，264（5158），

553-556.

[5]H.Eisele，G.I.Haddad.Efficient power combining with D-band

（110-170 GHz） InP Gunn devices in fundamental-mode

operation[J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1998，

8（1）：24-26.

[6]劉峰奇，王占國.紅外量子級聯(lián)激光器[J].物理，2001， 30（10）：596-601.

Application of infrared quantum cascade lasers

holographic technique in fire causes investigation

Hu Yongzheng， Yu Pei， Liu Yancen， Ni Mei， Liu Shanwei

China Fire and Rescue Institute

Abstract：In the fire extinguishing and rescue events， how to rescue the trapped people from fire and smoke within the shortest time is the most important tasks for our firefighters. Nowadays，? the photosource of Holographic Technique has covered from visible spectrum to infrared light band， thus infrared Quantum Cascade Lasers， as the light source of Holographic Technique， are adequate to be applied in the fire rescue tasks for searching people who need helps in fire without the interference of thick smoke and flames， and rescue them from dangers.

Keywords：infrared quantum cascade lasers; holographic technique; after-fire investigation; fire rescue