利用新型探測方法將矽基相機變成中紅外探測器

2020-11-30 騰訊網

上圖所示為非簡併雙光子吸收（NTA）原理的示意圖，用於矽基相機探測中紅外（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矽材料中的載流子，在相機中引起響應。這種方法可以使用常規矽基相機進行快速中紅外成像。

電磁光譜的中紅外範圍大致覆蓋了波長範圍在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，探測中紅外光並不像探測可見光那麼簡單。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於化學繪圖，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範圍，然後使用現代Si基相機進行有效檢測。與中紅外相機不同，基於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複雜。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，並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》雜誌上發表了一篇新論文，描述了一種用矽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，而是利用矽晶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，他們使用了非簡併雙光子吸收（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，會觸發矽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，並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。他們利用脈衝能量在飛秒焦耳（fJ，10-12j）範圍內的中紅外光，他們發現矽中的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矽光電二極體作為探測器，對有機液體進行振動光譜測量。

研究小組隨後用電荷耦合器件（CDD）相機取代了光電二極體，該相機也使用矽作為感光材料。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。儘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）微小（10-2）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，這將有助於該技術的廣泛採用和發展。」他補充說，「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。」

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

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