下图所示为非简并双光子吸收（NTA）原理的示意图，用于硅基相机探测中红外（MIR）。在这种检测技术中，传感器由中红外光束直接照射，而第二束近红外（NIR）光束也会入射到传感器上。中红外和近红外光子的能量结合起来激发硅材料中的载流子，在相机中引起响应。这种方法可以使用常规硅基相机进行快速中红外成像。

电磁光谱的中红外范围大致覆盖了波长范围在3到10微米之间的光，与基本分子振动的能量一致。利用这种光进行成像，可以产生具有化学特性的静像，即根据样品的化学成分得出的对比度图像。不幸的是，探测中红外光并不像探测可见光那么简单。目前的中红外相机显示出极好的灵敏度，但对热噪声非常敏感。此外，最快的中红外相机适用于化学绘图，其传感器像素数较低，因此限制了高清晰度成像。

为了克服这一问题，人们开发了几种策略，将中红外光携带的信息转移到可见光范围，然后使用现代Si基相机进行有效检测。与中红外相机不同，基于Si的相机具有低噪声特性和高像素密度，这使得它们在高性能成像应用中更具吸引力。然而，所需的中红外到可视光的转换方案可能相当复杂。目前，实现所需颜色转换的最直接方法是使用非线性光学晶体。当中红外光和附加的近红外（近红外）光束在晶体中重合时，通过和频产生过程（简称SFG）产生可见光光束。虽然SFG上转换技术很好地工作，但它对排列很敏感，并且需要晶体的许多方向来在Si相机上产生一个中红外衍生图像。

加州大学欧文分校的一组科学家在《光科学与应用Light Science & Applications》杂志上发表了一篇新论文，描述了一种用硅相机检测中红外图像的简单方法。他们没有利用晶体的光学非线性，而是利用硅芯片本身的非线性光学特性，在相机中产生中红外特有的响应。特别是，他们使用了非简并双光子吸收（NTA）过程，在附加的近红外“泵浦”光束的帮助下，当中红外光照亮传感器时，会触发硅中光诱导电荷载流子的产生。与SFG上转换相比，NTA方法完全避免了非线性上转换晶体的使用，并且它几乎没有对准伪影，使得用Si基相机进行中红外成像变得非常简单。

由Dmitry Fishman博士和Eric Potma博士领导的团队首先确定了Si是一种适合通过NTA检测中红外的材料。他们利用脉冲能量在飞秒焦耳（fJ，10-12j）范围内的中红外光，他们发现硅中的NTA足够有效地检测中红外。这一原理使他们能够用一个简单的硅光电二极管作为探测器，对有机液体进行振动光谱测量。

研究小组随后用电荷耦合器件（CDD）相机取代了光电二极管，该相机也使用硅作为感光材料。通过NTA，他们能够在1392x1040像素的传感器上以100毫秒的曝光时间捕捉到中红外衍生的图像，生成几种聚合物和生物材料以及活线虫的化学选择性图像。尽管使用的技术不是专门为NTA优化的，研究小组观察到了在图像中检测光密度（OD）微小（10-2）变化的能力。

“我们很高兴能为那些使用中红外光成像的人提供这种新的探测策略，”小组成员之一David Knez说，“我们对这种方法的简单性和多功能性寄予厚望，这将有助于该技术的广泛采用和发展。”他补充说，“NTA可能会加快在许多领域的分析，例如药物质量保证、地质矿物取样或生物样品的微观检验。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-07-method-silicon-cameras-mid-infrared-detectors.html