打破常规!利用CCD相机实现中红外成像

在红外波段中,中红外(MIR)区的波长范围大约在2到10微米,许多基本的分子振动在中红外窗口中具有能量,由于基频振动是红外活性振动中吸收最强的振动,中红外区最适宜进行红外光谱的定性和定量分析,对于光谱成像具有极其重要的作用,被广泛应用在生物医学组织成像、工业陶瓷检测、材料检测、矿物感测和环境监测等等。

然而,虽然中红外感应光源的发展已经取得了长足的进展,相比于其他波段,中红外在成像方面的应用仍不尽如人意,主要原因就是中红外相机的低性能和高成本。当前的相机基于低带隙材料,例如碲镉汞(HgCdTe)或锑化铟(InSb),它们固有地会受到热激发产生的噪声影响。低温冷却有助于抑制这种噪声,但冷却的碲镉汞探测器阵列的矩阵仍然是低密度的,不能与基于硅的高清CCD相机相提并论。由于硅基相机的优良特性,传统中红外成像的研究思路都旨在将信息从中红外范围转换为可见/近红外范围,然后使用硅基探测器间接获取中红外信息,其中主要包括3种方法:
1. 使用纠缠的中红外/可见光子对,利用非线性干涉技术测量硅基相机上的可见光子,从而探测与其相对应的中红外信息;

2. 利用样品的非线性光学响应,完成从中红外到可见光的转换;

3. 在样品后放置非线性光学晶体,利用附加的泵浦光束与中红外辐射的和频,产生可见/近红外辐射。

以上方法非常复杂,需要将介质中的中红外辐射与泵浦光束进行相位匹配,需要在一次实验中对非线性晶体进行多次重新排列以实现捕获单个图像所需的多个投影,并需要对测得的每个帧进行处理进行图像重建,以获得良好的中红外图像。那么,是否有更简单高效的方法探测中红外信息呢?

双光子吸收是指通常电子要从低能级跃迁到高能级去必须吸收一份相当于这两个能级之差的能量。如果这份能量由光辐射来提供,只有在光子的能量为两个能级之差时才会被原子所吸收。但是在高功率的光束下,虽然一个光子的能量还达不到两个能级之差,但电子可以同时吸收两个光子达到一定的能量而完成一次跃迁。

美国加州大学欧文分校的Dmitry A. Fishman和Eric O. Potma领导的团队研究了一种可能更简单的替代方法,使用CCD相机芯片本身作为非线性元件。这一非线性过程即为“非简并双光子吸收(NTA)”。在此过程中,来自中红外探测光束和近红外泵浦光束的光子被宽带隙半导体吸收,将电子推入导带,从而直接在半导体中产生电荷载流子。

该方法用CCD相机实现了中红外成像,在使用每像素仅几个毫微微焦耳的皮秒脉冲能量的情况下,在100毫秒的曝光时间获得了广域中红外图像。

该研究发表在Light: Science & Applications

打破常规!利用CCD相机实现中红外成像-- 可见光探测器的红外成像
可见光探测器的红外成像

作者首先验证了硅基探测器单个像素出色的非简并双光子吸收性能,并在此基础上测试了利用片上非简并双光子吸收进行中红外成像的可行性。采用了一种比较简单的实验系统,将泵浦光束与中红外光束在空间和时间上重叠,并在CCD芯片上重合。

 硅基CCD相机中基于非简并双光子吸收的中红外成像系统示意图
硅基CCD相机中基于非简并双光子吸收的中红外成像系统示意图

由于这种片上方法不依赖相位匹配不需要对齐,且无需对图像进行复杂的后处理,完全避免了对非线性晶体的需要,提供了更简单的探测方法,能够解决现有中红外相机实用性差且价格昂贵的问题。

这种方法能够利用现代可见光CCD探测器高像素数和电子器件优良等既定优势,可以应用于药物质量监测、地质矿物取样或生物样品显微检验等中红外成像领域。此外,当采用较短的脉冲时可以获得更高的吸收效率,因此其未来能够应用于飞秒激光脉冲。[中科院长春光机所Light学术出版中心 撰稿 | 靳淳淇 博士后(清华大学)]

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