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新的检测方法将硅相机变成了中红外探测器

更新时间:2020-07-22 19:32点击:

电磁波谱的MIR范围,大致包括波长在3至10微米之间的光,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,即由样品的化学成分得到的具有对比度的图像。不幸的是,探测和平号的光并不像探测可见光区那样简单。目前的和平号相机表现出卓越的灵敏度,但对热噪声非常敏感。此外,适用于化学测绘的最快的和平号摄影机具有低像素数的传感器,从而限制了高清晰度的成像。

为了克服这一问题,已经制定了几项战略,将和平号光携带的信息转移到可见范围内,然后用一架现代si型照相机进行有效探测。与MIR相机不同的是,si型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。然而,所需的mirto -visible转换方案可能相当复杂。目前,实现理想的颜色转换最直接的方法是通过使用非线性光学晶体。当和平号光和另外一束近红外(NIR)光在晶体中重合时,通过和频产生过程产生一束可见光,简称SFG。尽管SFG上转换技术工作良好,但它对排列很敏感,并且需要大量的晶体定向才能在Si相机上产生单一的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Si摄像机探测和平号卫星图像的简单方法。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,在相机中实现和平号特定的响应。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si的摄像机的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Si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,研究小组用电荷耦合器件(CDD)相机取代了光电二极管,它也使用硅作为感光材料。通过NTA,他们能够在暴露时间为100 ms的1392x1040像素传感器上捕获mir -衍生的图像,生成几种聚合物和生物材料以及活线虫的化学选择性图像。尽管使用的技术并没有专门针对NTA进行优化,研究小组观察到在图像中检测出光密度(OD)微小变化(10-2)的能力。

“我们很高兴能向那些使用和平号光进行成像的人提供这种新的探测策略,”团队成员之一大卫·克尼斯说。“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。