Ny detektionsmetode gør siliciumkameraer til melleminfrarøde detektorer

MIR-området for det elektromagnetiske spektrum, som groft dækker lys i bølgelængderegimet mellem 3 og 10 mikrometer, falder sammen med energierne af fundamentale molekylære vibrationer. Brug af dette lys til billeddannelse kan producere stillbilleder med kemisk specificitet, dvs. billeder med kontrast afledt af prøvens kemiske sammensætning. Desværre, detektering af MIR -lys er ikke så enkelt som at detektere lys i det synlige regime. Nuværende MIR-kameraer udviser fremragende følsomhed, men er meget følsomme over for termisk støj. Ud over, de hurtigste MIR-kameraer egnet til kemisk kortlægning har sensorer med lave pixeltal, hvilket begrænser billeddannelse ved high definition.

For at overvinde dette problem, der er udviklet adskillige strategier til at flytte informationen båret af MIR-lys til det synlige område, efterfulgt af effektiv detektion med et moderne Si-baseret kamera. I modsætning til MIR-kameraer, Si-baserede kameraer udviser lave støjegenskaber og har høje pixeltætheder, gør dem mere attraktive kandidater til højtydende billedbehandlingsapplikationer. Den påkrævede MIR-til-synlig konverteringsplan, imidlertid, kan være ret kompliceret. I øjeblikket, den mest direkte måde at opnå den ønskede farvekonvertering på er ved at bruge en ikke-lineær optisk krystal. Når MIR-lyset og en yderligere nær-infrarød (NIR) lysstråle er sammenfaldende i krystallen, en synlig lysstråle genereres gennem processen med generering af sum-frekvens, eller SFG for kort. Selvom SFG-opkonverteringstricket fungerer godt, det er følsomt over for justering, og det kræver adskillige orienteringer af krystallen for at producere et enkelt MIR-afledt billede på Si-kameraet.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et team af forskere fra University of California, Irvine, beskriver en simpel metode til at detektere MIR-billeder med et Si-kamera. I stedet for at bruge den optiske ikke-linearitet af en krystal, de brugte de ikke-lineære optiske egenskaber af selve Si-chippen til at muliggøre en MIR-specifik respons i kameraet. I særdeleshed, de brugte processen med ikke-degenereret to-fotonabsorption (NTA), hvilken, ved hjælp af en ekstra NIR 'pumpe' stråle, udløser dannelsen af ​​foto-inducerede ladningsbærere i Si, når MIR-lyset oplyser sensoren. Sammenlignet med SFG opkonvertering, NTA-metoden undgår helt brugen af ​​ikke-lineære opkonverteringskrystaller, og den er praktisk talt fri for justeringsartefakter, gør MIR-billeddannelse med Si-baserede kameraer væsentligt enklere.

Holdet, ledet af Dr. Dmitry Fishman og Dr. Eric Potma, først fastslået, at Si er et materiale egnet til MIR-detektion gennem NTA. Brug af MIR -lys med pulsenergier i femtojoule (fJ, 10 ^-12 J) rækkevidde, de fandt, at NTA i silicium er tilstrækkeligt effektivt til at detektere MIR. Dette princip gjorde det muligt for dem at udføre vibrationsspektroskopi-målinger af organiske væsker ved blot at anvende en simpel Si-fotodiode som detektor.

Holdet flyttede derefter for at erstatte fotodioden med et charge-coupled device (CDD) kamera, som også bruger silicium som det lysfølsomme materiale. Gennem NTA, de var i stand til at fange MIR-afledte billeder på en 1392x1040 pixel sensor ved 100 ms eksponeringstider, giver kemisk selektive billeder af flere polymer og biologiske materialer samt levende nematoder. På trods af brug af teknologi, der ikke er specifikt optimeret til NTA, holdet observerede evnen til at opdage små (10 ^-2 ) ændringer i optisk tæthed (OD) i billedet.

"Vi er glade for at tilbyde denne nye detektionsstrategi til dem, der bruger MIR-lys til billeddannelse, " siger David Knez, et af teammedlemmerne. "Vi har store forhåbninger om, at denne tilgangs enkelhed og alsidighed giver mulighed for en bred anvendelse og udvikling af teknologien." Tilføjer, at NTA kan fremskynde analysen på en lang række områder, såsom farmaceutisk kvalitetssikring, geologisk mineralprøvetagning, eller mikroskopisk inspektion af biologiske prøver.