Het MIR-bereik van het elektromagnetische spectrum, die ruwweg licht dekt in het golflengteregime tussen 3 en 10 micrometer, samenvalt met de energieën van fundamentele moleculaire trillingen. Het gebruik van dit licht voor beeldvorming kan stills produceren met chemische specificiteit, d.w.z. beelden met contrast afgeleid van de chemische samenstelling van het monster. Helaas, het detecteren van MIR-licht is niet zo eenvoudig als het detecteren van licht in het zichtbare regime. De huidige MIR-camera's vertonen een uitstekende gevoeligheid, maar zijn erg gevoelig voor thermische ruis. In aanvulling, de snelste MIR-camera's die geschikt zijn voor chemische mapping hebben sensoren met lage pixelaantallen, waardoor beeldvorming bij hoge definitie wordt beperkt.

Om dit probleem op te lossen, er zijn verschillende strategieën ontwikkeld om de informatie die door MIR-licht wordt gedragen naar het zichtbare bereik te verplaatsen, gevolgd door efficiënte detectie met een moderne Si-gebaseerde camera. In tegenstelling tot MIR-camera's, Op Si gebaseerde camera's vertonen een lage ruiskarakteristiek en hebben een hoge pixeldichtheid, waardoor ze aantrekkelijkere kandidaten zijn voor hoogwaardige beeldvormingstoepassingen. Het vereiste MIR-naar-zichtbaar conversieschema, echter, kan nogal ingewikkeld zijn. momenteel, de meest directe manier om de gewenste kleurconversie te bereiken is door het gebruik van een niet-lineair optisch kristal. Wanneer het MIR-licht en een extra nabij-infrarood (NIR) lichtstraal samenvallen in het kristal, een zichtbare lichtstraal wordt gegenereerd door het proces van somfrequentiegeneratie, of kortweg SFG. Hoewel de SFG-up-conversietruc goed werkt, het is gevoelig voor uitlijning en het vereist talrijke oriëntaties van het kristal om een ​​enkel MIR-afgeleid beeld op de Si-camera te produceren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers van de Universiteit van Californië, Irvine, beschrijft een eenvoudige methode voor het detecteren van MIR-beelden met een Si-camera. In plaats van de optische niet-lineariteit van een kristal te gebruiken, ze gebruikten de niet-lineaire optische eigenschappen van de Si-chip zelf om een ​​MIR-specifieke respons in de camera mogelijk te maken. Vooral, ze gebruikten het proces van niet-gedegenereerde twee-fotonabsorptie (NTA), die, met behulp van een extra NIR 'pomp'-straal, triggert de generatie van foto-geïnduceerde ladingsdragers in Si wanneer het MIR-licht de sensor verlicht. Vergeleken met SFG up-conversie, de NTA-methode vermijdt het gebruik van niet-lineaire opwaartse conversiekristallen en is vrijwel vrij van uitlijnartefacten, waardoor MIR-beeldvorming met Si-gebaseerde camera's aanzienlijk eenvoudiger wordt.

Het team, onder leiding van Dr. Dmitry Fishman en Dr. Eric Potma, eerst vastgesteld dat Si een materiaal is dat geschikt is voor MIR-detectie via NTA. Met behulp van MIR-licht met pulsenergieën in de femtojoule (fJ, 10 ^-12 J) bereik, ze vonden dat NTA in silicium voldoende efficiënt is voor het detecteren van MIR. Dit principe stelde hen in staat om trillingsspectroscopiemetingen uit te voeren van organische vloeistoffen met slechts een eenvoudige Si-fotodiode als detector.

Het team ging toen over tot het vervangen van de fotodiode door een CDD-camera (charge-coupled device), die ook silicium als lichtgevoelig materiaal gebruikt. Via NTA, ze waren in staat om MIR-afgeleide beelden vast te leggen op een 1392x1040 pixelsensor bij 100 ms belichtingstijden, het opleveren van chemisch selectieve beelden van verschillende polymere en biologische materialen, evenals levende nematoden. Ondanks het gebruik van technologie die niet specifiek is geoptimaliseerd voor NTA, het team observeerde het vermogen om kleine (10 ^-2 ) veranderingen in optische dichtheid (OD) in het beeld.

"We zijn verheugd om deze nieuwe detectiestrategie aan te bieden aan diegenen die MIR-licht gebruiken voor beeldvorming, " zegt David Knez, een van de teamleden. "We hebben hoge verwachtingen dat de eenvoud en veelzijdigheid van deze aanpak de brede acceptatie en ontwikkeling van de technologie mogelijk maakt." Daaraan toevoegend dat NTA de analyse op een groot aantal verschillende gebieden kan versnellen, zoals farmaceutische kwaliteitsborging, geologische minerale bemonstering, of microscopische inspectie van biologische monsters.