Rappresentazione artistica del principio dell'assorbimento a due fotoni (NTA) non degenere per la rivelazione del medio infrarosso (MIR) da parte di una fotocamera a base di silicio. In questa tecnica di rilevamento, il sensore è illuminato direttamente dal fascio di luce MIR, mentre un secondo, anche il raggio del vicino infrarosso (NIR) è incidente sul sensore. Le energie dei fotoni MIR e NIR si combinano per eccitare i portatori di carica nel materiale di silicio, inducendo una risposta nella fotocamera. Questo metodo consente l'imaging MIR veloce con le normali fotocamere basate su Si. Credito:di David Knez, Adam Hanninen, Riccardo Principe, Eric Potma e Dmitry Fishman
La gamma MIR dello spettro elettromagnetico, che copre approssimativamente la luce nel regime di lunghezze d'onda tra 3 e 10 micrometri, coincide con le energie delle vibrazioni molecolari fondamentali. L'utilizzo di questa luce per l'imaging può produrre alambicchi con specificità chimica, ovvero immagini con contrasto derivate dalla composizione chimica del campione. Sfortunatamente, rilevare la luce MIR non è semplice come rilevare la luce nel regime visibile. Le attuali telecamere MIR mostrano un'eccellente sensibilità ma sono molto sensibili al rumore termico. Inoltre, le telecamere MIR più veloci adatte alla mappatura chimica hanno sensori con numeri di pixel bassi, limitando così l'imaging ad alta definizione.
Per superare questo problema, sono state sviluppate diverse strategie per spostare le informazioni trasportate dalla luce MIR nel campo del visibile, seguito da un rilevamento efficiente con una moderna fotocamera basata sul silicio. A differenza delle telecamere MIR, Le telecamere basate su Si presentano caratteristiche di basso rumore e hanno densità di pixel elevate, rendendoli candidati più attraenti per applicazioni di imaging ad alte prestazioni. Lo schema di conversione da MIR a visibile richiesto, però, può essere piuttosto complicato. Attualmente, il modo più diretto per ottenere la conversione del colore desiderata è attraverso l'uso di un cristallo ottico non lineare. Quando la luce MIR e un ulteriore raggio di luce nel vicino infrarosso (NIR) coincidono nel cristallo, un raggio di luce visibile viene generato attraverso il processo di generazione della frequenza somma, o SFG in breve. Sebbene il trucco di conversione SFG funzioni bene, è sensibile all'allineamento e richiede numerosi orientamenti del cristallo per produrre una singola immagine derivata da MIR sulla camera Si.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati dell'Università della California, Irvine, descrive un metodo semplice per rilevare le immagini MIR con una fotocamera Si. Invece di usare la non linearità ottica di un cristallo, hanno utilizzato le proprietà ottiche non lineari del chip Si stesso per consentire una risposta specifica MIR nella fotocamera. In particolare, hanno usato il processo di assorbimento a due fotoni non degeneri (NTA), quale, con l'aiuto di un ulteriore raggio "pompa" NIR, innesca la generazione di portatori di carica fotoindotti in Si quando la luce MIR illumina il sensore. Rispetto all'up-conversion di SFG, il metodo NTA evita del tutto l'uso di cristalli di conversione non lineari ed è praticamente privo di artefatti di allineamento, rendendo l'imaging MIR con telecamere basate su Si significativamente più semplice.
Il gruppo, guidato dal Dr. Dmitry Fishman e dal Dr. Eric Potma, prima stabilito che il Si è un materiale adatto per il rilevamento MIR tramite NTA. Usando la luce MIR con energie di impulso nel femtojoule (fJ, 10 -12 J) gamma, hanno scoperto che l'NTA nel silicio è sufficientemente efficiente per rilevare il MIR. Questo principio ha permesso loro di eseguire misurazioni di spettroscopia vibrazionale di liquidi organici utilizzando solo un semplice fotodiodo al silicio come rivelatore.
Il team si è quindi spostato per sostituire il fotodiodo con una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica (CDD), che utilizza anche il silicio come materiale fotosensibile. Attraverso NTA, sono stati in grado di catturare immagini derivate da MIR su un sensore da 1392x1040 pixel con tempi di esposizione di 100 ms, producendo immagini chimicamente selettive di diversi polimeri e materiali biologici, nonché di nematodi viventi. Nonostante l'utilizzo di tecnologie non specificamente ottimizzate per NTA, il team ha osservato la capacità di rilevare piccoli (10 -2 ) variazioni della densità ottica (OD) nell'immagine.
"Siamo entusiasti di offrire questa nuova strategia di rilevamento a coloro che utilizzano la luce MIR per l'imaging, "dice David Knez, uno dei membri della squadra. "Abbiamo grandi speranze che la semplicità e la versatilità di questo approccio consentano un'ampia adozione e sviluppo della tecnologia". Aggiungendo che l'NTA può accelerare l'analisi in un'ampia varietà di campi, come la garanzia della qualità farmaceutica, campionamento di minerali geologici, o ispezione microscopica di campioni biologici.
