電磁光譜的近紅外范圍，大致涵蓋3至10微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，與基本分子振動(dòng)的能量相吻合。利用這種光進(jìn)行成像，可以產(chǎn)生具有化學(xué)特異性的靜態(tài)圖像，即圖像的對(duì)比度來(lái)自于樣品的化學(xué)成分。不幸的是，檢測(cè)MIR光并不像檢測(cè)可見光那樣簡(jiǎn)單。目前的MIR相機(jī)表現(xiàn)出極好的靈敏度，但對(duì)熱噪聲非常敏感。此外，適用于化學(xué)圖譜的最快的MIR相機(jī)的傳感器的像素?cái)?shù)較低，因此限制了高清晰度的成像。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)開發(fā)了幾種策略，將MIR光攜帶的信息轉(zhuǎn)移到可見光范圍，然后用現(xiàn)代Si基相機(jī)進(jìn)行高效檢測(cè)。與MIR相機(jī)不同，Si基相機(jī)表現(xiàn)出低噪聲特性，并具有高像素密度，使其成為高性能成像應(yīng)用的更有吸引力的候選者。然而，所需的MIR到可見光的轉(zhuǎn)換方案可能相當(dāng)復(fù)雜。目前，實(shí)現(xiàn)所需顏色轉(zhuǎn)換的最直接方法是通過(guò)使用非線性光學(xué)晶體。當(dāng)MIR光和額外的近紅外（NIR）光束在晶體中重合時(shí)，通過(guò)總和頻率產(chǎn)生的過(guò)程產(chǎn)生可見光束，簡(jiǎn)稱SFG。雖然SFG上變頻技巧效果很好，但它對(duì)對(duì)準(zhǔn)很敏感，需要對(duì)晶體進(jìn)行無(wú)數(shù)次對(duì)準(zhǔn)才能在Si相機(jī)上產(chǎn)生單一的MIR衍生圖像。

發(fā)表在《Light Science & Applications》上的一篇新論文中，來(lái)自加州大學(xué)歐文分校的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)描述了一種用Si相機(jī)檢測(cè)MIR圖像的簡(jiǎn)單方法。他們沒(méi)有使用晶體的光學(xué)非線性，而是利用Si芯片本身的非線性光學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)相機(jī)的MIR特定響應(yīng)。特別是，他們使用了非變性雙光子吸收（NTA）的過(guò)程，在額外的近紅外 "泵浦 "光束的幫助下，當(dāng)MIR光照亮傳感器時(shí)，會(huì)觸發(fā)Si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，而且它幾乎沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)偽影，使得基于Si的相機(jī)的MIR成像大大簡(jiǎn)化。

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(guò)NTA進(jìn)行MIR檢測(cè)的材料。利用飛焦耳（fJ，10-12J）范圍內(nèi)脈沖能量的MIR光，他們發(fā)現(xiàn)硅中的NTA對(duì)于檢測(cè)MIR有足夠的效率。這一原理使他們能夠只采用一個(gè)簡(jiǎn)單的Si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。

隨后，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而用電荷耦合器件（CDD）相機(jī)取代光電二極管，該相機(jī)也使用硅作為光敏材料。通過(guò)NTA，他們能夠在一個(gè)1392 x 1040像素的傳感器上以100毫秒的曝光時(shí)間捕捉到MIR衍生圖像，產(chǎn)生了一些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，但該團(tuán)隊(duì)觀察到了檢測(cè)圖像中光密度（OD）的微?。?0 ~ 2）變化的能力。

"我們很高興為那些使用MIR光進(jìn)行成像的人提供這種新的檢測(cè)策略。"團(tuán)隊(duì)成員之一David Knez說(shuō)，"我們對(duì)這種方法的簡(jiǎn)單性和通用性寄予厚望，使該技術(shù)得到廣泛的采用和發(fā)展。" 另外，NTA可能會(huì)加快各種領(lǐng)域的分析速度，如藥品質(zhì)量保證、地質(zhì)礦物取樣或生物樣品的顯微檢查。

論文標(biāo)題為《Infrared chemical imaging through non-degenerate two-photon absorption in silicon-based cameras》。