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  • 利用新型探测方法将硅基相机变成中红外探测器

    作者:实验帮译 来源:物理学家组织网 时间:2020-07-24 10:54 阅读:128 [投稿]
    在这种检测技术中,传感器由中红外光束直接照射,而第二束近红外(NIR)光束也会入射到传感器上。中红外和近红外光子的能量结合起来激发硅材料中的载流子,在相机中引起响应。这种方法可以使用常规硅基相机进行快速中红外成像。

    下图所示为非简并双光子吸收(NTA)原理的示意图,用于硅基相机探测中红外(MIR)。在这种检测技术中,传感器由中红外光束直接照射,而第二束近红外(NIR)光束也会入射到传感器上。中红外和近红外光子的能量结合起来激发硅材料中的载流子,在相机中引起响应。这种方法可以使用常规硅基相机进行快速中红外成像。

     

    电磁光谱的中红外范围大致覆盖了波长范围在3到10微米之间的光,与基本分子振动的能量一致。利用这种光进行成像,可以产生具有化学特性的静像,即根据样品的化学成分得出的对比度图像。不幸的是,探测中红外光并不像探测可见光那么简单。目前的中红外相机显示出极好的灵敏度,但对热噪声非常敏感。此外,最快的中红外相机适用于化学绘图,其传感器像素数较低,因此限制了高清晰度成像。

    为了克服这一问题,人们开发了几种策略,将中红外光携带的信息转移到可见光范围,然后使用现代Si基相机进行有效检测。与中红外相机不同,基于Si的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,所需的中红外到可视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使用非线性光学晶体。当中红外光和附加的近红外(近红外)光束在晶体中重合时,通过和频产生过程(简称SFG)产生可见光光束。虽然SFG上转换技术很好地工作,但它对排列很敏感,并且需要晶体的许多方向来在Si相机上产生一个中红外衍生图像。

    加州大学欧文分校的一组科学家在《光科学与应用Light Science & Applications》杂志上发表了一篇新论文,描述了一种用硅相机检测中红外图像的简单方法。他们没有利用晶体的光学非线性,而是利用硅芯片本身的非线性光学特性,在相机中产生中红外特有的响应。特别是,他们使用了非简并双光子吸收(NTA)过程,在附加的近红外“泵浦”光束的帮助下,当中红外光照亮传感器时,会触发硅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,并且它几乎没有对准伪影,使得用Si基相机进行中红外成像变得非常简单。

    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检测中红外的材料。他们利用脉冲能量在飞秒焦耳(fJ,10-12j)范围内的中红外光,他们发现硅中的NTA足够有效地检测中红外。这一原理使他们能够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。

    研究小组随后用电荷耦合器件(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,他们能够在1392x1040像素的传感器上以100毫秒的曝光时间捕捉到中红外衍生的图像,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。尽管使用的技术不是专门为NTA优化的,研究小组观察到了在图像中检测光密度(OD)微小(10-2)变化的能力。

    “我们很高兴能为那些使用中红外光成像的人提供这种新的探测策略,”小组成员之一David Knez说,“我们对这种方法的简单性和多功能性寄予厚望,这将有助于该技术的广泛采用和发展。”他补充说,“NTA可能会加快在许多领域的分析,例如药物质量保证、地质矿物取样或生物样品的微观检验。”

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

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