利用新型探測方法將硅基相機變成中紅外探測器

2020-07-24 10:54:00 作者:實驗幫譯 來源:物理學家組織網 瀏覽次數 943

下圖所示為非簡并雙光子吸收(NTA)原理的示意圖,用于硅基相機探測中紅外(MIR)。在這種檢測技術中,傳感器由中紅外光束直接照射,而第二束近紅外(NIR)光束也會入射到傳感器上。中紅外和近紅外光子的能量結合起來激發硅材料中的載流子,在相機中引起響應。這種方法可以使用常規硅基相機進行快速中紅外成像。

 
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電磁光譜的中紅外范圍大致覆蓋了波長范圍在3到10微米之間的光,與基本分子振動的能量一致。利用這種光進行成像,可以產生具有化學特性的靜像,即根據樣品的化學成分得出的對比度圖像。不幸的是,探測中紅外光并不像探測可見光那么簡單。目前的中紅外相機顯示出極好的靈敏度,但對熱噪聲非常敏感。此外,最快的中紅外相機適用于化學繪圖,其傳感器像素數較低,因此限制了高清晰度成像。

為了克服這一問題,人們開發了幾種策略,將中紅外光攜帶的信息轉移到可見光范圍,然后使用現代Si基相機進行有效檢測。與中紅外相機不同,基于Si的相機具有低噪聲特性和高像素密度,這使得它們在高性能成像應用中更具吸引力。然而,所需的中紅外到可視光的轉換方案可能相當復雜。目前,實現所需顏色轉換的最直接方法是使用非線性光學晶體。當中紅外光和附加的近紅外(近紅外)光束在晶體中重合時,通過和頻產生過程(簡稱SFG)產生可見光光束。雖然SFG上轉換技術很好地工作,但它對排列很敏感,并且需要晶體的許多方向來在Si相機上產生一個中紅外衍生圖像。

加州大學歐文分校的一組科學家在《光科學與應用Light Science & Applications》雜志上發表了一篇新論文,描述了一種用硅相機檢測中紅外圖像的簡單方法。他們沒有利用晶體的光學非線性,而是利用硅芯片本身的非線性光學特性,在相機中產生中紅外特有的響應。特別是,他們使用了非簡并雙光子吸收(NTA)過程,在附加的近紅外“泵浦”光束的幫助下,當中紅外光照亮傳感器時,會觸發硅中光誘導電荷載流子的產生。與SFG上轉換相比,NTA方法完全避免了非線性上轉換晶體的使用,并且它幾乎沒有對準偽影,使得用Si基相機進行中紅外成像變得非常簡單。

由Dmitry Fishman博士和Eric Potma博士領導的團隊首先確定了Si是一種適合通過NTA檢測中紅外的材料。他們利用脈沖能量在飛秒焦耳(fJ,10-12j)范圍內的中紅外光,他們發現硅中的NTA足夠有效地檢測中紅外。這一原理使他們能夠用一個簡單的硅光電二極管作為探測器,對有機液體進行振動光譜測量。

研究小組隨后用電荷耦合器件(CDD)相機取代了光電二極管,該相機也使用硅作為感光材料。通過NTA,他們能夠在1392x1040像素的傳感器上以100毫秒的曝光時間捕捉到中紅外衍生的圖像,生成幾種聚合物和生物材料以及活線蟲的化學選擇性圖像。盡管使用的技術不是專門為NTA優化的,研究小組觀察到了在圖像中檢測光密度(OD)微?。?0-2)變化的能力。

“我們很高興能為那些使用中紅外光成像的人提供這種新的探測策略,”小組成員之一David Knez說,“我們對這種方法的簡單性和多功能性寄予厚望,這將有助于該技術的廣泛采用和發展?!彼a充說,“NTA可能會加快在許多領域的分析,例如藥物質量保證、地質礦物取樣或生物樣品的微觀檢驗?!?/p>

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


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