下圖所示為非簡(jiǎn)并雙光子吸收（NTA）原理的示意圖，用于硅基相機(jī)探測(cè)中紅外（MIR）。在這種檢測(cè)技術(shù)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(huì)入射到傳感器上。中紅外和近紅外光子的能量結(jié)合起來激發(fā)硅材料中的載流子，在相機(jī)中引起響應(yīng)。這種方法可以使用常規(guī)硅基相機(jī)進(jìn)行快速中紅外成像。

電磁光譜的中紅外范圍大致覆蓋了波長(zhǎng)范圍在3到10微米之間的光，與基本分子振動(dòng)的能量一致。利用這種光進(jìn)行成像，可以產(chǎn)生具有化學(xué)特性的靜像，即根據(jù)樣品的化學(xué)成分得出的對(duì)比度圖像。不幸的是，探測(cè)中紅外光并不像探測(cè)可見光那么簡(jiǎn)單。目前的中紅外相機(jī)顯示出極好的靈敏度，但對(duì)熱噪聲非常敏感。此外，最快的中紅外相機(jī)適用于化學(xué)繪圖，其傳感器像素?cái)?shù)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(fā)了幾種策略，將中紅外光攜帶的信息轉(zhuǎn)移到可見光范圍，然后使用現(xiàn)代Si基相機(jī)進(jìn)行有效檢測(cè)。與中紅外相機(jī)不同，基于Si的相機(jī)具有低噪聲特性和高像素密度，這使得它們?cè)诟咝阅艹上駪?yīng)用中更具吸引力。然而，所需的中紅外到可視光的轉(zhuǎn)換方案可能相當(dāng)復(fù)雜。目前，實(shí)現(xiàn)所需顏色轉(zhuǎn)換的最直接方法是使用非線性光學(xué)晶體。當(dāng)中紅外光和附加的近紅外（近紅外）光束在晶體中重合時(shí)，通過和頻產(chǎn)生過程（簡(jiǎn)稱SFG）產(chǎn)生可見光光束。雖然SFG上轉(zhuǎn)換技術(shù)很好地工作，但它對(duì)排列很敏感，并且需要晶體的許多方向來在Si相機(jī)上產(chǎn)生一個(gè)中紅外衍生圖像。

加州大學(xué)歐文分校的一組科學(xué)家在《光科學(xué)與應(yīng)用Light Science & Applications》雜志上發(fā)表了一篇新論文，描述了一種用硅相機(jī)檢測(cè)中紅外圖像的簡(jiǎn)單方法。他們沒有利用晶體的光學(xué)非線性，而是利用硅芯片本身的非線性光學(xué)特性，在相機(jī)中產(chǎn)生中紅外特有的響應(yīng)。特別是，他們使用了非簡(jiǎn)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(dāng)中紅外光照亮傳感器時(shí)，會(huì)觸發(fā)硅中光誘導(dǎo)電荷載流子的產(chǎn)生。與SFG上轉(zhuǎn)換相比，NTA方法完全避免了非線性上轉(zhuǎn)換晶體的使用，并且它幾乎沒有對(duì)準(zhǔn)偽影，使得用Si基相機(jī)進(jìn)行中紅外成像變得非常簡(jiǎn)單。

由Dmitry Fishman博士和Eric Potma博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首先確定了Si是一種適合通過NTA檢測(cè)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(nèi)的中紅外光，他們發(fā)現(xiàn)硅中的NTA足夠有效地檢測(cè)中紅外。這一原理使他們能夠用一個(gè)簡(jiǎn)單的硅光電二極管作為探測(cè)器，對(duì)有機(jī)液體進(jìn)行振動(dòng)光譜測(cè)量。

研究小組隨后用電荷耦合器件（CDD）相機(jī)取代了光電二極管，該相機(jī)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(shí)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(xué)選擇性圖像。盡管使用的技術(shù)不是專門為NTA優(yōu)化的，研究小組觀察到了在圖像中檢測(cè)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(cè)策略，”小組成員之一David Knez說，“我們對(duì)這種方法的簡(jiǎn)單性和多功能性寄予厚望，這將有助于該技術(shù)的廣泛采用和發(fā)展?！彼a(bǔ)充說，“NTA可能會(huì)加快在許多領(lǐng)域的分析，例如藥物質(zhì)量保證、地質(zhì)礦物取樣或生物樣品的微觀檢驗(yàn)。”

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