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新探测方法将硅基相机变成中红外探测器

2020-7-23 20:49| 发布者: 前途无量| 查看: 881| 评论: 0

摘要: 基于非简并双光子吸收(NTA)原理实现硅基相机对中红外光(MIR)探测的渲染图。在这种探测技术中,MIR光束直接照射到传感器上,再将一束近红外光束(NIR)也入射到传感器上。MIR和NIR光子的能量结合在一起,激发硅材料中 ...

  基于非简并双光子吸收(NTA)原理实现硅基相机对中红外光(MIR)探测的渲染图。在这种探测技术中,MIR光束直接照射到传感器上,再将一束近红外光束(NIR)也入射到传感器上。MIR和NIR光子的能量结合在一起,激发硅材料中的电荷载流子,从而在相机中产生响应。 此方法可以使用常规的基于的相机进行快速MIR成像。 图片来源:David Knez,Adam Hanninen,Richard Prince,Eric Potma和Dmitry Fishman。


  电磁波谱的MIR范围大致覆盖3至10微米之间波长范围内的光,与基本分子振动的能量一致。利用这种光线进行成像可以产生具有化学特异性的静态图像,比如,样品中不同化学成分成像对比度不同。不幸的是,探测MIR光并不像探测可见光那样简单。目前的MIR相机具很高的灵敏度,但对热噪声非常敏感。此外,适用于化学测绘的最快的MIR摄影机的传感器像素数较低,从而限制了高清晰度的成像。


  为了克服这一问题,已经开发了几种方法将MIR光携带的信息转移到可见范围内,然后用现代硅基相机进行有效探测。与MIR相机不同的是,硅基相机具有低噪声特性和高像素密度,这使得它们在高性能成像应用中更具吸引力。但是,所需的MIR到可见转换方案可能非常复杂。 目前,实现所需颜色转换的最直接方法是使用非线性光学晶体。MIR光和另外一束近红外(NIR)光在晶体中重合时,通过和频产生过程(简称SFG)生成一束可见光。尽管SFG上转换技术工作良好,但它对对准很敏感,并且它需要晶体的多种取向才能在硅基相机上产生单个MIR衍生图像。


  在《光科学与应用》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基摄像机探测MIR图像的简单方法。他们没有使用晶体的光学非线性,而是利用硅晶片本身的非线性光学特性,在相机中实现MIR特定的响应。特别地,他们使用了非简并双光子吸收(NTA)过程,在一个额外的近红外“泵浦”光束的帮助下,当MIR光照射传感器时,触发了硅中光诱导载流子的产生。与SFG上转换相比,NTA方法完全避免了使用非线性上转换晶体,而且几乎没有对准伪影,使基于硅基摄像机的MIR成像大大简化。


  由Dmitry Fishman博士和Eric Potma博士领导的团队首先确定了是一种适合通过NTA检测MIR的材料。利用脉冲能量在飞焦耳(fJ, 10-12 J)范围内的MIR光,他们发现硅中的NTA对于探测MIR是非常有效的。这一原理使他们能够利用一个简单的硅光电二极管作为探测器,对有机液体进行振动光谱测量。


  然后,该研究小组用电荷耦合器件(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100 ms的曝光时间在1392x1040像素传感器上捕获MIR衍生的图像,从而生成几种聚合物,生物材料以及活线虫的化学选择性图像。尽管使用的技术并没有专门针对NTA进行优化,研究小组观察到了检测图像中光密度(OD)微小变化(10-2)的能力。


  团队成员之一David Knez说:“我们很高兴能向那些使用MIR光进行成像的人提供这种新的探测方法。我们对这种方法的简单性和通用性寄予厚望,希望它能被广泛采用和发展。”他补充说,NTA可能会加快许多领域的分析,如药品质量保证、地质矿物取样或生物样品的显微检查。


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