飞秒激光脉冲划过空气时，时间被分割成千万亿分之一秒的碎片。在这一瞬即逝的尺度上，物质的分子振动、化学键断裂与新键形成过程清晰可见。上海的研究机构正将这种飞秒级超快探测能力应用于公共安全的核心领域——微痕量检测，使曾经隐匿的分子无所遁形。从机场安检到重大活动安防，这项技术正重新定义安全检查的精度边界。

上海检测系统结合飞秒激光技术提升检测效率与安全性

飞秒检测的技术内核

飞秒检测的核心原理是利用飞秒激光（脉冲宽度10⁻¹⁵秒）捕捉物质在分子尺度的瞬态行为。当飞秒激光脉冲作用于物质时，其的峰值功率（可达百万亿瓦）和极短的持续时间能激发分子振动、电子跃迁等超快过程。通过分析物质对这些脉冲的响应特性，如吸收光谱、散射信号等，可解析物质的成分与结构。这种技术本质上是一种“分子级高速摄影”，其时间分辨率比化学反应实际发生的时间尺度（10-100飞秒）更高。

技术实现的关键在于两项突破：一是锁模技术（主动/被动），通过调制激光腔内光子振荡产生相位相干的纵模叠加，形成超短脉冲；二是啁啾脉冲放大技术（CPA），由诺贝尔物理学奖得主Mourou和Strickland发明，通过时域展宽-能量放大-脉宽压缩流程解决高能飞秒脉冲的生成难题。当前上海团队已实现可覆盖太赫兹到X射线的宽频谱飞秒光源，为多模态检测奠定基础。

识别的独特优势

在检测领域，飞秒技术的核心价值在于其分子指纹识别能力。以THz时域光谱系统（THz-TDS）为例：飞秒激光激发产生太赫兹波穿透待检物品，不同（如TNT、RDX、PETN）在太赫兹波段呈现独特的特征吸收峰（图1b）。这些光谱如同分子的“身份证”，即使被隐藏于非金属包装内，也能被准确识别。上海团队已实现RDX等关键在1-3 THz频段的特征谱数据库构建，检测限达皮克级。

相较于传统方法，飞秒检测具备三重优势：

  • 无创无损：低能量太赫兹波避免了对生物组织的电离损伤
  • 抗干扰性强：可区分与常见日用品（如糖、面粉）的分子结构差异
  • 微痕量灵敏度：上海飞秒光电开发的系统对TNT蒸气的检测限达0.07 ng/L[[8]

    • 表：飞秒检测技术与传统方法性能对比

    | 指标 | 飞秒THz-TDS | 离子迁移谱 | X光安检机 |

    |-|--|

    | 检测物质 | 分子成分 | 分子离子 | 物体形态 |

    | 痕量水平 | 皮克(10⁻¹²g)级 | 纳克(10⁻⁹g)级 | 不可检测 |

    | 穿透能力 | 非金属材料 | 表面吸附物 | 所有材料 |

    | 辐射风险 | 无 | 低 | 有 |

    上海研发力量的技术布局

    上海飞秒光电技术有限公司作为核心企业，构建了产学研一体化平台。该公司由博士、硕士团队组成，专注光电与传感技术交叉领域，开发了适用于检测的飞秒激光源与太赫兹探测系统。其技术路线覆盖全链条：从光纤激光器（如掺镱光纤飞秒振荡器）、光学频率梳，到高通量数据获取系统，已应用于机场安检原型机[[58]。

    高校团队则聚焦前沿突破。上海科技大学大科学装置建设部怀平团队开发了AI增强型实时分析系统，结合飞秒检测产生的高通量数据（未来预计EB级），通过机器学习压缩分析时间90以上。而佟亚军研究员在光束线设计上的创新，使X射线自由电子激光（XFEL）的聚焦精度达亚微米级，可解析单个微粒的空间分布。这些技术通过上海科技创新基金支持，已进入中试阶段。

    微痕量检测的应用突破

    在实际场景中，上海团队解决了两个关键难题：

    在采样环节，开发了基于MEMS的悬臂梁微传感器。当微粒吸附于硅悬臂梁（宽度仅头发丝的1/10）表面，通过加热至特定温度（如TNT对应575℃）引发微爆燃，产生的热扰动使悬臂梁位移。这种机械信号转化为电信号后，检测限达皮克级。结合姜甲明团队研发的激光辅助解吸技术，大幅提升气态分子富集效率。

    在分析环节，离子迁移谱与飞秒技术的融合成为亮点。金洁团队开发的解吸大气压化学电离源（DAPCI），通过飞秒激光精准控制电离过程，使分子在电场中的迁移时间检测精度提高3倍，误报率降低至0.01。该系统已在浦东机场进行盲测，对塞姆汀（C4成分）的识别准确率达99.2。

    表：微痕量检测方法对比

    | 技术 | 检测限 | 分析时间 | 上海创新点 |

    |-|-|

    | 飞秒THz-TDS | 0.02-0.1 pg | <15 s | AI实时谱解析 |

    | MEMS悬臂梁 | 1-5 pg | <8 s | 激光辅助热解吸 |

    | 离子迁移谱(IMS)| 0.1-1 ng | <5 s | 飞秒激光精准电离控制 |

    | 荧光传感 | 10-50 ng | >30 s | 未应用 |

    行业前景与挑战

    据华经产业研究院，2025-2031年中国飞秒激光市场将保持18.7的年复合增长率，其中安检领域需求增速快。上海作为技术高地，在鄂州花湖机场、虹桥枢纽的BIM系统升级中，已预留飞秒检测模块集成接口。这种技术融合将为“智慧安检通道”提供支持：乘客无需停留，行走中即完成分子级扫描。

    但挑战仍存：

  • 成本瓶颈：飞秒激光设备单价超200万元，制约大规模部署
  • 环境干扰：空气中水蒸气对太赫兹波的吸收影响传输距离（>5m时信号衰减40）
  • 标准缺失：微痕量检测的法律证据效力尚待确立

    • 对此，上海飞秒光电正开发光纤集成化飞秒源以降低成本；怀平团队则通过多尺度模拟优化太赫兹波传输路径。未来五年，随着《智慧民航建设路线图》推进，飞秒检测有望成为机场标配。

    飞秒检测技术在上海的突破，标志着我国在超快光谱与公共安全交叉领域已跻身前沿。从分子指纹识别到微痕量传感，从实验室光谱仪到机场智能安检通道，这项技术正重新定义检测的精度与效率标准。其核心价值不仅在于技术参数的，更在于将“事后排查”转化为“事前预防”的安防范式变革。

    未来发展需聚焦三方面：一是通过多学科协同创新解决环境干扰问题，如上海科技大学在XFEL辐照损伤模拟的成果可迁移至太赫兹传输优化；二是推动产学研深度融合，加速上海飞秒光电等企业与高校的专利转化[[58]；三是探索超导纳米线单光子探测器等新型传感材料，将检测限推向阿托（10⁻¹⁸）克级。当飞秒之光穿透隐匿的威胁，城市安全防线也随之进入前所未有的精密时代。

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