原創 長光所Light中心 中國光學

推廣位（非商務）

撰稿 | 靳淳淇 博士后（清華大學）

在紅外波段中，中紅外（MIR）區的波長范圍大約在2到10微米，許多基本的分子振動在中紅外窗口中具有能量，由于基頻振動是紅外活性振動中吸收最強的振動，中紅外區最適宜進行紅外光譜的定性和定量分析，對于光譜成像具有極其重要的作用，被廣泛應用在生物醫學組織成像、工業陶瓷檢測、材料檢測、礦物感測和環境監測等等。

圖1：中紅外激光脈沖

圖源：scitechdaily

然而，雖然中紅外感應光源的發展已經取得了長足的進展，相比于其他波段，中紅外在成像方面的應用仍不盡如人意，主要原因就是中紅外相機的低性能和高成本。當前的相機基于低帶隙材料，例如碲鎘汞（HgCdTe）或銻化銦（InSb），它們固有地會受到熱激發產生的噪聲影響。低溫冷卻有助于抑制這種噪聲，但冷卻的碲鎘汞探測器陣列的矩陣仍然是低密度的，不能與基于硅的高清CCD相機相提并論。

由于硅基相機的優良特性，傳統中紅外成像的研究思路都旨在將信息從中紅外范圍轉換為可見/近紅外范圍，然后使用硅基探測器間接獲取中紅外信息，其中主要包括3種方法：

1. 使用糾纏的中紅外/可見光子對，利用非線性干涉技術測量硅基相機上的可見光子，從而探測與其相對應的中紅外信息；

2. 利用樣品的非線性光學響應，完成從中紅外到可見光的轉換；

3. 在樣品后放置非線性光學晶體，利用附加的泵浦光束與中紅外輻射的和頻，產生可見/近紅外輻射。

以上方法非常復雜，需要將介質中的中紅外輻射與泵浦光束進行相位匹配，需要在一次實驗中對非線性晶體進行多次重新排列以實現捕獲單個圖像所需的多個投影，并需要對測得的每個幀進行處理進行圖像重建，以獲得良好的中紅外圖像。那么，是否有更簡單高效的方法探測中紅外信息呢？

雙光子吸收是指通常電子要從低能級躍遷到高能級去必須吸收一份相當于這兩個能級之差的能量。如果這份能量由光輻射來提供，只有在光子的能量為兩個能級之差時才會被原子所吸收。但是在高功率的光束下，雖然一個光子的能量還達不到兩個能級之差，但電子可以同時吸收兩個光子達到一定的能量而完成一次躍遷。

美國加州大學歐文分校的Dmitry A. Fishman和Eric O. Potma領導的團隊研究了一種可能更簡單的替代方法，使用CCD相機芯片本身作為非線性元件。這一非線性過程即為“非簡并雙光子吸收（NTA）”。在此過程中，來自中紅外探測光束和近紅外泵浦光束的光子被寬帶隙半導體吸收，將電子推入導帶，從而直接在半導體中產生電荷載流子。

該方法用CCD相機實現了中紅外成像，在使用每像素僅幾個毫微微焦耳的皮秒脈沖能量的情況下，在100毫秒的曝光時間獲得了廣域中紅外圖像。

該研究發表在Light: Science & Applications，題為“Infrared chemical imaging through non-degenerate two-photon absorption in silicon-based cameras”。

圖2：可見光探測器的紅外成像

圖源：David Knez，Adam Hanninen，Richard Prince，Eric Potma和Dmitry Fishman

作者首先驗證了硅基探測器單個像素出色的非簡并雙光子吸收性能，并在此基礎上測試了利用片上非簡并雙光子吸收進行中紅外成像的可行性。采用了一種比較簡單的實驗系統，將泵浦光束與中紅外光束在空間和時間上重疊，并在CCD芯片上重合。

圖3 硅基CCD相機中基于非簡并雙光子吸收的中紅外成像系統示意圖

圖源：Light Sci Appl 9, 125 (2020). Fig.3

由于這種片上方法不依賴相位匹配不需要對齊，且無需對圖像進行復雜的后處理，完全避免了對非線性晶體的需要，提供了更簡單的探測方法，能夠解決現有中紅外相機實用性差且價格昂貴的問題。

這種方法能夠利用現代可見光CCD探測器高像素數和電子器件優良等既定優勢，可以應用于藥物質量監測、地質礦物取樣或生物樣品顯微檢驗等中紅外成像領域。此外，當采用較短的脈沖時可以獲得更高的吸收效率，因此其未來能夠應用于飛秒激光脈沖。

文章信息

Knez, D., Hanninen, A.M., Prince, R.C. et al. Infrared chemical imaging through non-degenerate two-photon absorption in silicon-based cameras. Light Sci Appl 9, 125 (2020)

原文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00369-6

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原標題：《打破常規！利用CCD相機實現中紅外成像》

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