新检测方法将硅摄像头变成中红外探测器

电磁光谱的近红外范围，大致涵盖3至10微米波长范围内的光，与基本分子振动的能量相吻合。利用这种光进行成像，可以产生具有化学特异性的静态图像，即图像的对比度来自于样品的化学成分。不幸的是，检测MIR光并不像检测可见光那样简单。目前的MIR相机表现出极好的灵敏度，但对热噪声非常敏感。此外，适用于化学图谱的最快的MIR相机的传感器的像素数较低，因此限制了高清晰度的成像。

为了克服这个问题，已经开发了几种策略，将MIR光携带的信息转移到可见光范围，然后用现代Si基相机进行高效检测。与MIR相机不同，Si基相机表现出低噪声特性，并具有高像素密度，使其成为高性能成像应用的更有吸引力的候选者。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方法是通过使用非线性光学晶体。当MIR光和额外的近红外（NIR）光束在晶体中重合时，通过总和频率产生的过程产生可见光束，简称SFG。虽然SFG上变频技巧效果很好，但它对对准很敏感，需要对晶体进行无数次对准才能在Si相机上产生单一的MIR衍生图像。

发表在《Light Science & Applications》上的一篇新论文中，来自加州大学欧文分校的一个科学家团队描述了一种用Si相机检测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Si芯片本身的非线性光学特性来实现相机的MIR特定响应。特别是，他们使用了非变性双光子吸收（NTA）的过程，在额外的近红外 "泵浦 "光束的帮助下，当MIR光照亮传感器时，会触发Si中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，而且它几乎没有对准伪影，使得基于Si的相机的MIR成像大大简化。

Dmitry Fishman博士和Eric Potma博士领导的团队首先确定了Si是一种适合通过NTA进行MIR检测的材料。利用飞焦耳（fJ，10-12J）范围内脉冲能量的MIR光，他们发现硅中的NTA对于检测MIR有足够的效率。这一原理使他们能够只采用一个简单的Si光电二极管作为探测器，对有机液体进行振动光谱测量。

随后，该团队转而用电荷耦合器件（CDD）相机取代光电二极管，该相机也使用硅作为光敏材料。通过NTA，他们能够在一个1392 x 1040像素的传感器上以100毫秒的曝光时间捕捉到MIR衍生图像，产生了一些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，但该团队观察到了检测图像中光密度（OD）的微小（10 ~ 2）变化的能力。

"我们很高兴为那些使用MIR光进行成像的人提供这种新的检测策略。"团队成员之一David Knez说，"我们对这种方法的简单性和通用性寄予厚望，使该技术得到广泛的采用和发展。" 另外，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品的显微检查。

论文标题为《Infrared chemical imaging through non-degenerate two-photon absorption in silicon-based cameras》。

来源：https://phys.org/news/2020-07-method-silicon-cameras-mid-infrared-detectors.html