Renderização artística do princípio da absorção não degenerada de dois fótons (NTA) para a detecção de infravermelho médio (MIR) por uma câmera baseada em silício. Nesta técnica de detecção, o sensor é iluminado diretamente pelo feixe de luz MIR, enquanto um segundo, feixe infravermelho próximo (NIR) também incide no sensor. As energias dos fótons MIR e NIR se combinam para excitar portadores de carga no material de silício, induzindo uma resposta na câmera. Este método permite imagens MIR rápidas com câmeras regulares baseadas em Si. Crédito:por David Knez, Adam Hanninen, Richard Prince, Eric Potma e Dmitry Fishman
A faixa MIR do espectro eletromagnético, que cobre aproximadamente a luz no regime de comprimento de onda entre 3 a 10 micrômetros, coincide com as energias das vibrações moleculares fundamentais. A utilização dessa luz para fins de geração de imagens pode produzir fotos com especificidade química, ou seja, imagens com contraste derivado da composição química da amostra. Infelizmente, detectar a luz MIR não é tão simples quanto detectar a luz no regime visível. As câmeras MIR atuais apresentam excelente sensibilidade, mas são muito sensíveis ao ruído térmico. Além disso, as câmeras MIR mais rápidas adequadas para mapeamento químico têm sensores com baixo número de pixels, limitando assim a imagem em alta definição.
Para superar esse problema, várias estratégias foram desenvolvidas para mudar as informações transportadas pela luz MIR para a faixa visível, seguido por detecção eficiente com uma câmera moderna baseada em Si. Ao contrário das câmeras MIR, As câmeras baseadas em Si apresentam características de baixo ruído e altas densidades de pixel, tornando-os candidatos mais atraentes para aplicações de imagem de alto desempenho. O esquema de conversão MIR para visível necessário, Contudo, pode ser bastante complicado. Atualmente, a maneira mais direta de obter a conversão de cor desejada é por meio do uso de um cristal óptico não linear. Quando a luz MIR e um feixe de luz infravermelho próximo (NIR) adicional são coincidentes no cristal, um feixe de luz visível é gerado através do processo de geração de soma de frequência, ou SFG para breve. Embora o truque de conversão de SFG funcione bem, é sensível ao alinhamento e requer várias orientações do cristal para produzir uma única imagem derivada de MIR na câmera Si.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas da Universidade da Califórnia, Irvine, descreve um método simples para detectar imagens MIR com uma câmera Si. Em vez de usar a não linearidade óptica de um cristal, eles usaram as propriedades ópticas não lineares do próprio chip de Si para permitir uma resposta específica de MIR na câmera. Em particular, eles usaram o processo de absorção não degenerada de dois fótons (NTA), que, com a ajuda de um feixe de 'bomba' NIR adicional, dispara a geração de portadores de carga fotoinduzidos em Si quando a luz MIR ilumina o sensor. Comparado ao up-conversion SFG, o método NTA evita o uso de cristais de conversão ascendente não lineares e é virtualmente livre de artefatos de alinhamento, tornando a imagem MIR com câmeras baseadas em Si significativamente mais simples.
O time, liderado pelo Dr. Dmitry Fishman e Dr. Eric Potma, estabeleceu pela primeira vez que o Si é um material adequado para detecção de MIR por meio de NTA. Usando a luz MIR com energias pulsantes no femtojoule (fJ, 10 -12 J) alcance, eles descobriram que o NTA no silício é suficientemente eficiente para detectar MIR. Este princípio permitiu-lhes realizar medições de espectroscopia vibracional de líquidos orgânicos empregando apenas um fotodiodo de Si simples como detector.
A equipe então mudou para substituir o fotodiodo por uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CDD), que também usa silício como material fotossensível. Por meio da NTA, eles foram capazes de capturar imagens derivadas de MIR em um sensor de 1392x1040 pixels em tempos de exposição de 100 ms, produzindo imagens quimicamente seletivas de vários polímeros e materiais biológicos, bem como nematóides vivos. Apesar de usar tecnologia não otimizada especificamente para NTA, a equipe observou a capacidade de detectar pequenos (10 -2 ) mudanças na densidade óptica (OD) na imagem.
"Estamos entusiasmados em oferecer esta nova estratégia de detecção para aqueles que usam a luz MIR para imagens, "diz David Knez, um dos membros da equipe. "Temos grandes esperanças de que a simplicidade e versatilidade desta abordagem permitem a ampla adoção e desenvolvimento da tecnologia." Adicionar que o NTA pode acelerar a análise em uma ampla variedade de campos, como garantia de qualidade farmacêutica, amostragem de minerais geológicos, ou inspeção microscópica de amostras biológicas.
