Light | 非简并双光子吸收在硅基相机中的红外化学成像

撰稿 | 唐江山

许多基本分子振动的能量在中红外窗口——波长大约从2微米到10微米。因此，中红外范围对光谱成像特别有意义。具有化学选择性的成像能力与许多领域直接相关，包括组织生物医学测绘的中红外成像的实施、工业陶瓷的检查、材料的离层探测、矿物感测和环境监测等。

令人惊讶的是，中红外成像在化学制图中并没有得到广泛的应用。部分原因是在这一范围内缺乏明亮和廉价的光源，虽然中红外光源技术最近取得了很大的发展。但是，中红外相机的性能和高成本仍然是一个限制。目前的相机是基于低带隙材料，如HgCdTe (MCT) 或InSb，这些材料会受到热激发电子噪声的影响。低温冷却有助于抑制这种噪音，但会使中红外相机在可见光和近红外方面的实用性和可承受性远不及成熟的硅基探测器。电子冷却的MCT探测器是一种很有前途的替代品，但是还不能与基于硅的高清晰度CCD相机相媲美。

认识到硅基相机的优越特点，目前已经开发了一些策略，旨在将信息从中红外范围转换为可见/近红外范围，从而实现用硅基探测器间接捕获中红外特征。最近的一项进展是在样品后放置一个非线性光学晶体，通过和频产生的过程，利用附加的泵浦光对中红外辐射进行上转换。但其缺点是在非线性介质中需要中红外辐射与泵浦光束满足相位匹配。这个要求意味着要旋转晶体，以实现捕获单一图像所需的多个投影，以及对每一测量帧进行后处理，从而进行图像重建。

利用样品的光学非线性或用于间接中红外检测(和频产生上转换)的专用转换晶体的替代方法是使用探测器本身的非线性光学特性。特别是在宽带隙半导体材料中的NTA过程，可以在额外的可见光或近红外探测光束的帮助下在室温下探测中红外辐射，但它的优势尚未转化为高效的硅基相机成像。在这里，研究者们报道了在室温下，使用NTA过程在标准CCD硅基相机中快速，化学选择性的中红外成像（图一）。

图1 在硅基CCD相机中基于非简并双光子吸收的宽视场中红外成像示意图

对于NTA过程，实验已经表明其增强行为和直接带隙半导体类似，可以用“禁止-禁止”路径提供最佳的解释。由于先前一些推导的非线性吸收系数量级很小，所以通常将硅归类为NTA的低效材料。因此，开发基于硅探测器的中红外探测策略的尝试很少。但在这项工作中，作者们表明，尽管有上面的担忧，通过NTA在硅中检测中红外辐射仍然是可行的，而且可以为标准相机中红外成像提供一个非常实用的方法。

图2 利用非简并双光子检测器测量二甲亚砜的吸收光谱传输的中红外辐射

图3（a）使用1478纳米泵浦脉冲的中红外光束剖面图 （b）刀片覆盖一半的中红外区域(上面是横截面图)

图4 150微米厚的醋酸纤维素膜的光谱成像

NTA在不进行低温冷却的情况下可以拍摄高质量的中红外图像，这大大降低了探测器的复杂性和成本。此外，该方法不依赖于相位匹配，无需校准，不需要对图像进行复杂的后处理。

通过对聚合物和生物样品进行化学选择性中红外成像（图五），包括移动目标、物理过程和活线虫的中红外视频，显示了这项技术强大的实用性。

图5 各种材料的中红外图像以及相应的傅里叶变化红外光谱。

左边一列是共振中红外图像，

中间一列显示的是在指定吸收线相对应的能量处拍摄的中红外图像，

最右边的展示的是样品的傅里叶变化红外吸收谱（黄色是共振，灰色是非共振）

该研究成果以” Infrared chemical imaging through nondegenerate two-photon absorption in silicon-based cameras”为题在线发表在Light: Science & Applications。