中国科学院 硅基相机探测中红外的非简并双光子吸收(NTA)原理的艺术再现
在这种检测技术中，传感器直接被近红外光束照射，同时第二个近红外光束也入射到传感器上
红外和近红外光子的能量结合在一起，激发硅材料中的电荷载流子，在相机中引起响应
这种方法能够用常规硅基照相机进行快速的红外成像
荣誉:大卫·克内兹，亚当·汉宁，理查德·普林斯，埃里克·波特马和德米特里·菲什曼 电磁光谱的中红外范围大致覆盖3至10微米波长范围内的光，与基本分子振动的能量一致
利用这种光进行成像可以产生具有化学特异性的静止图像，即
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从样品的化学成分得到的具有对比度的图像
不幸的是，探测MIR光并不像探测可见光那样简单
目前的红外照相机显示出极好的灵敏度，但对热噪声非常敏感
此外，适用于化学绘图的最快的MIR相机具有低像素数的传感器，因此限制了高清晰度成像
为了克服这个问题，已经开发了几种策略，用于将MIR光携带的信息转移到可见光范围，随后用现代硅基照相机进行有效检测
与MIR相机不同，硅基相机表现出低噪声特性和高像素密度，使其成为高性能成像应用的更具吸引力的候选对象
然而，所需的MIR到可见光的转换方案可能相当复杂
目前，实现所需颜色转换的最直接的方法是通过使用非线性光学晶体
当远红外光和一束附加的近红外光束在晶体中重合时，通过和频产生过程产生一束可见光，简称SFG
尽管SFG上转换技术效果很好，但它对对准很敏感，而且需要晶体的多个方向才能在硅相机上产生单个MIR衍生图像
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，来自加州大学欧文分校的一组科学家描述了一种用硅照相机探测MIR图像的简单方法
他们没有利用晶体的光学非线性，而是利用硅芯片本身的非线性光学特性，在相机中实现了高分辨率的特定响应
特别是，他们使用了非简并双光子吸收过程(NTA)，在附加的近红外“泵浦”光束的帮助下，当微光照亮传感器时，在硅中触发光诱导电荷载流子的产生
与SFG上转换相比，NTA方法完全避免了非线性上转换晶体的使用，并且几乎没有对准伪影，使得硅基相机的MIR成像明显更简单
这个团队由博士领导
德米特里·菲什曼和博士
埃里克·波特马首先确定硅是一种适合通过NTA探测和平号的材料
他们使用脉冲能量在飞秒(10-12焦耳)范围内的微光，发现硅中的NTA对探测微光足够有效
这一原理使他们能够使用简单的硅光电二极管作为检测器来进行有机液体的振动光谱测量
该团队随后用电荷耦合器件(CDD)相机取代了光电二极管，该相机也使用硅作为感光材料
通过NTA，他们能够以100毫秒的曝光时间在1392×1040像素的传感器上捕获MIR衍生的图像，产生几种聚合物和生物材料以及活线虫的化学选择性图像
尽管使用的技术不是专门为NTA优化的，但研究小组观察到了检测图像中光密度微小(10-2)变化的能力
“我们很高兴向那些使用微光成像的人提供这种新的检测策略，”小组成员之一大卫·克内兹说
“我们对这种方法的简单性和多功能性抱有很高的期望，希望它能够广泛采用和发展这种技术
”他补充说，NTA可能会加快各种领域的分析速度，如药品质量保证、地质矿物取样或生物样本的显微镜检查
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