红外量子级联激光器全息技术的火灾勘验应用

胡永正 于沛 刘研岑 倪梅 刘闪威

摘要：在火灾现场救援中，消防人员如何在烟雾和火焰干扰下，快速锁定待救援目标极为关键。目前，全息技术所用光源的波长已经从可见光扩展到红外波段，红外量子级联激光器正好覆盖这个波段，量子级联激光器作为全息技术的光源应用于对火灾现场被火焰和烟雾遮挡待救援人员的搜救工作，可以穿透火焰和烟雾成像，消防人员利用红外量子级联激光器全息技术的进行火灾勘验，可以快速找到火焰和烟雾后待救援的人和物并实施救援。

关键词：红外量子级联激光器;全息技术;火灾勘验;消防救援

在火灾现场，人眼无法看到火焰和烟雾后待救援的人和物。已有的红外热成像仪无法穿透火焰让消防人员快速定位待救援人员，因此，在火灾现场救援中，消防人员如何快速找到烟雾和火焰后待救援人和物是一个非常关键的问题[1-3]。本文主要利用红外激光器来实现全息技术的火灾勘验应用，全息技术利用光的干涉记录物体信息，目标物体的物光束与参考光束叠加干涉，利用干涉条纹将物体光波信息记录下来[1-3]，最后利用衍射原理再现光波信息进行远距离高清成像，实现全息技术的火灾勘验应用，因此这种红外量子级联激光器全息技术有巨大的消防应用前景。

1  红外量子级联激光器全息技术火灾勘验应用的研究背景

火灾是人类常见灾难之一，虽然消防救援设备已经很先进，但用于火灾现场定位被烟雾和火焰遮挡的人或物的技术仍需要改进。传统的全息技术光源一般位于可见光波段，在成像时受限于火灾现场的火焰和烟雾影响，红外热成像仪也受到火焰影响，这些都无法让消防人员快速找到烟雾和火焰后待救援人和物[1-3]。因此，解决烟雾和火焰后待救援人和物的成像就显得十分重要。使用位于大气窗口波段的红外量子级联激光器作为光源，避开了780nm～7μm火焰红外线的干扰，减少了在空气中的衰减，利用红外量子级联激光器全息技术的进行火灾勘验，可以穿透火焰和烟雾成像，快速找到火焰和烟雾后待救援的人和物并实施救援[1-3]。

在这样的一个技术中最重要的组成部分就是红外激光器。中红外量子级联激光器（QuantumCascade Lasers，QCLs）诞生于1994年，它们打破了传统的半导体激光器在中远红外的禁锢[4-5]，中红外量子级联激光器为人类利用中红外波段提供了有力工具。量子级联激光器的有源区和普通半导体激光器有源区不同的是：量子级联激光器有源区是由N个周期的啁啾超晶格结构组成的级联结构，由于量子限制效应，其有源区电子在导带的子带间跃迁，从而实现红外波段的激射。1994年，J.Faist等人在贝尔实验室，基于InAlAs/InGaAs材料体系的三量子阱斜跃迁发光方式，首次实现量子级联激光器的激射，实验引起轰动。他们所采用的结构能带图为三量子阱斜跃迁发光[4]，为了增强激射，量子级联激光器的有源区包含了25个周期，每一周期中都包括有源区、注入/弛豫区，它们组成一个三能级系统。

红外量子级联激光器应用非常广泛。中红外波段涵盖了SO2、NH3、CO等污染性气体的特征吸收峰，这些光谱学特征在远距离探测、大气污染监控等领域有重要应用[6]。此外，3～5μm和8～13μm波段是大气的两个低吸收窗口，红外量子级联激光器在该波段以大气为传输媒介，可以进行光信号的长距离传输。本文选用8～13μm波段的红外量子级联激光器，这个波段是红外大气窗口的一个波段，可以减少光在空气中衰减，同时避免了火焰发出的780nm～7μm红外线的干扰[1-3]，因此这种红外量子级联激光器在红外全息技术领域有巨大的应用前景。

对于消防救援领域，一种可以穿透火灾烟雾和火焰来探测其后人和物的技术是目前急需的，這种技术会极大的增强消防人员的搜救效率。目前，消防部门使用红外辐射热测定器和红外相机可以透过烟雾，但是它们容易被火焰的辐射干扰。本文将研究利用基于红外量子级联激光器的数字全息技术在红外波段透过烟雾和火焰成像应用。利用红外量子级联激光器数字全息技术记录一人大小的动态目标，这在消防救援中对活人救助是非常必要的指标。在已有的文献报道中[1-3]，利用红外激光可以穿透烟雾和火焰，把光束照射到人身上，然后再给消防员呈现一个3D的成像，此技术可以同时记录多个可移动人的成像[1-3]。消防员如果使用的红外监控摄像机需戴眼镜，眼镜易被浓烟阻挡，且红外摄像机在火焰影响下无法探测到待救援物体[1-3]。而本项目研究的数字全息技术可以突破这些局限，在烟雾和火焰中实现对移动的多个人目标进行成像。

总之，针对消防救援面临的困难，本文将基于红外量子级联激光器的全息技术在火场中对火焰和烟雾后面的待救援人员搜索和成像，量子级联激光器作为全息技术的光源应用于搜救工作，可以穿透火焰和烟雾进行火灾勘验[1-3]，帮助消防人员快速找到火焰和烟雾后待救援的人和物并实施救援，是增强消防人员搜救能力的可靠方法。

2  红外量子级联激光器全息技术火灾勘验应用的研究方法

本文主要基于红外量子级联激光器来实现全息技术以应用于消防救援，研究的主要目的是把红外全息技术应用于火场搜救工作。全息技术利用干涉原理记录光波信息：物体在红外激光照射下形成物光束，另一部分红外激光作为参考光束射和物光束进行干涉，把物体光波的各点振幅和相位转换成空间上的强度，利用干涉条纹的间隔和反差将物体光波信息记录下来[1-3]。然后利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程如下：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象[1-3]。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像[1-3]。

本文将利用全息技术的火场救援装置设计如图2所示[2]，我们将搭建一个可以全息成像的无透镜离轴装置，这个装置用8～13μm波段的红外量子级联激光器作为光源。激光光束首先经过一个ZnSe分束器（BS），入射光的80%被分束器反射，20%为透射光。透射光构成了参考光，并借助于平面镜M1反射到ZnSe可变衰减器（VA），然后参考光再借助于另一个平面镜M2反射到热成像仪，在入射到成像仪前，先利用可聚焦光束的透镜L2进行聚焦和放大以保证足够的强度和近乎平面的波前到达热成像仪。发射光构成了物光束，在到达目标样本前，它先经过一个ZnSe凸透镜L1，用以聚焦和放大光束，以便照射比较大的目标物体表面[2]。红外物光束和红外参考光束形成红外全息干涉图，物光束和参考光束形成的干涉图样通过传感器是优化过的，通过可变衰减器作用于参考光束强度来增加条纹的可见性。红外全息干涉图由红外探测器进行记录，再传给计算机进行再现，从而对火焰和烟雾后的待救援人和物进行成像，帮助消防人员快速找到火焰和烟雾后待救援的人和物并实施救援[1-3]。

本项目研究的技术路线如下图所示。

3  红外量子级联激光器全息技术火灾勘验应用的研究意义

本文选用的红外量子级联激光器波长在8～13μm，光源波長正好位于红外大气窗口波段，光在空气中传播过程中的衰减较少，同时这种光又可以避免火焰发出780nm～7μm的红外线的干扰，因此这种红外量子级联激光器作为光源在红外全息技术领域有巨大的应用前景。利用这种红外激光器全息技术可实现消防救援的火灾勘验。总之，红外量子级联激光器全息成像技术是可以穿过烟雾和火焰看清背后事物的有用技术，特别是一人大小的目标也可以通过全息技术成像。利用这种技术制作的火场搜救仪，可以大幅度提高消防搜救的准确性和效率，以减少人员伤亡和财产损失。

参考文献：

[1]刘万里，张永安，张亚萍，潘永峰，刘建建.一种基于红外全息技术的火场搜救装置：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]杨超.红外数字全息图像增强关键技术研究[D].南京邮电大学，2019.

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

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

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[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]刘峰奇，王占国.红外量子级联激光器[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