MIR-området för det elektromagnetiska spektrumet, som grovt sett täcker ljus i våglängdsregimen mellan 3 till 10 mikrometer, sammanfaller med energierna hos fundamentala molekylära vibrationer. Att använda detta ljus för avbildningsändamål kan producera stillbilder med kemisk specificitet, dvs bilder med kontrast som härrör från provets kemiska sammansättning. Tyvärr, att detektera MIR-ljus är inte lika enkelt som att detektera ljus i det synliga regimen. Nuvarande MIR-kameror uppvisar utmärkt känslighet men är mycket känsliga för termiskt brus. Dessutom, de snabbaste MIR-kamerorna lämpliga för kemisk kartläggning har sensorer med låga pixelnummer, vilket begränsar bildåtergivning vid hög upplösning.

För att övervinna detta problem, flera strategier har utvecklats för att flytta informationen som bärs av MIR-ljus till det synliga området, följt av effektiv detektering med en modern Si-baserad kamera. Till skillnad från MIR-kameror, Si-baserade kameror uppvisar låga brusegenskaper och har höga pixeltätheter, gör dem till mer attraktiva kandidater för högpresterande bildbehandlingstillämpningar. Det erforderliga MIR-till-synliga konverteringsschemat, dock, kan vara ganska komplicerat. Nuvarande, det mest direkta sättet att uppnå den önskade färgomvandlingen är genom att använda en olinjär optisk kristall. När MIR-ljuset och en ytterligare nära-infraröd (NIR) ljusstråle sammanfaller i kristallen, en synlig ljusstråle genereras genom processen för generering av summafrekvens, eller SFG för kort. Även om SFG-uppkonverteringstricket fungerar bra, den är känslig för inriktning och det kräver många orienteringar av kristallen för att producera en enda MIR-härledd bild på Si-kameran.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare från University of California, Irvine, beskriver en enkel metod för att detektera MIR-bilder med en Si-kamera. Istället för att använda den optiska olinjäriteten hos en kristall, de använde de olinjära optiska egenskaperna hos själva Si-chippet för att möjliggöra ett MIR-specifikt svar i kameran. Särskilt, de använde processen för icke-degenererad tvåfotonabsorption (NTA), som, med hjälp av en extra NIR "pump" stråle, triggar genereringen av fotoinducerade laddningsbärare i Si när MIR-ljuset lyser upp sensorn. Jämfört med SFG-uppkonvertering, NTA-metoden undviker helt och hållet användningen av icke-linjära uppkonverteringskristaller och den är praktiskt taget fri från inriktningsartefakter, gör MIR-avbildning med Si-baserade kameror betydligt enklare.

Laget, ledd av Dr. Dmitry Fishman och Dr. Eric Potma, fastställde först att Si är ett material lämpligt för MIR-detektion genom NTA. Använder MIR-ljus med pulsenergier i femtojoule (fJ, 10 ^-12 J) intervall, de fann att NTA i kisel är tillräckligt effektivt för att detektera MIR. Denna princip gjorde det möjligt för dem att utföra vibrationsspektroskopimätningar av organiska vätskor med bara en enkel Si-fotodiod som detektor.

Teamet flyttade sedan för att ersätta fotodioden med en laddningskopplad enhet (CDD) kamera, som också använder kisel som ljuskänsligt material. Genom NTA, de kunde fånga MIR-härledda bilder på en 1392x1040 pixelsensor vid 100 ms exponeringstider, ger kemiskt selektiva bilder av flera polymera och biologiska material samt levande nematoder. Trots att man använder teknik som inte är specifikt optimerad för NTA, teamet observerade förmågan att upptäcka små (10 ^-2 ) förändringar i optisk densitet (OD) i bilden.

"Vi är glada över att kunna erbjuda denna nya detektionsstrategi till dem som använder MIR-ljus för avbildning, " säger David Knez, en av teammedlemmarna. "Vi har stora förhoppningar om att enkelheten och mångsidigheten i detta tillvägagångssätt möjliggör bred användning och utveckling av tekniken." Lägger till att NTA kan påskynda analysen inom en mängd olika områden, såsom kvalitetssäkring av läkemedel, geologisk mineralprovtagning, eller mikroskopisk inspektion av biologiska prover.