電磁光譜的近紅外范圍，大致涵蓋3至10微米波長范圍內的光，與基本分子振動的能量相吻合。利用這種光進行成像，可以產(chǎn)生具有化學特異性的靜態(tài)圖像，即圖像的對比度來自于樣品的化學成分。不幸的是，檢測MIR光并不像檢測可見光那樣簡單。目前的MIR相機表現(xiàn)出極好的靈敏度，但對熱噪聲非常敏感。此外，適用于化學圖譜的最快的MIR相機的傳感器的像素數(shù)較低，因此限制了高清晰度的成像。

為了克服這個問題，已經(jīng)開發(fā)了幾種策略，將MIR光攜帶的信息轉移到可見光范圍，然后用現(xiàn)代Si基相機進行高效檢測。與MIR相機不同，Si基相機表現(xiàn)出低噪聲特性，并具有高像素密度，使其成為高性能成像應用的更有吸引力的候選者。然而，所需的MIR到可見光的轉換方案可能相當復雜。目前，實現(xiàn)所需顏色轉換的最直接方法是通過使用非線性光學晶體。當MIR光和額外的近紅外（NIR）光束在晶體中重合時，通過總和頻率產(chǎn)生的過程產(chǎn)生可見光束，簡稱SFG。雖然SFG上變頻技巧效果很好，但它對對準很敏感，需要對晶體進行無數(shù)次對準才能在Si相機上產(chǎn)生單一的MIR衍生圖像。

發(fā)表在《Light Science & Applications》上的一篇新論文中，來自加州大學歐文分校的一個科學家團隊描述了一種用Si相機檢測MIR圖像的簡單方法。他們沒有使用晶體的光學非線性，而是利用Si芯片本身的非線性光學特性來實現(xiàn)相機的MIR特定響應。特別是，他們使用了非變性雙光子吸收（NTA）的過程，在額外的近紅外 "泵浦 "光束的幫助下，當MIR光照亮傳感器時，會觸發(fā)Si中光誘導電荷載流子的產(chǎn)生。與SFG上轉換相比，NTA方法完全避免了非線性上轉換晶體的使用，而且它幾乎沒有對準偽影，使得基于Si的相機的MIR成像大大簡化。

Dmitry Fishman博士和Eric Potma博士領導的團隊首先確定了Si是一種適合通過NTA進行MIR檢測的材料。利用飛焦耳（fJ，10-12J）范圍內脈沖能量的MIR光，他們發(fā)現(xiàn)硅中的NTA對于檢測MIR有足夠的效率。這一原理使他們能夠只采用一個簡單的Si光電二極管作為探測器，對有機液體進行振動光譜測量。

隨后，該團隊轉而用電荷耦合器件（CDD）相機取代光電二極管，該相機也使用硅作為光敏材料。通過NTA，他們能夠在一個1392 x 1040像素的傳感器上以100毫秒的曝光時間捕捉到MIR衍生圖像，產(chǎn)生了一些聚合物和生物材料以及活線蟲的化學選擇性圖像。盡管使用的技術不是專門為NTA優(yōu)化的，但該團隊觀察到了檢測圖像中光密度（OD）的微小（10 ~ 2）變化的能力。

"我們很高興為那些使用MIR光進行成像的人提供這種新的檢測策略。"團隊成員之一David Knez說，"我們對這種方法的簡單性和通用性寄予厚望，使該技術得到廣泛的采用和發(fā)展。" 另外，NTA可能會加快各種領域的分析速度，如藥品質量保證、地質礦物取樣或生物樣品的顯微檢查。

論文標題為《Infrared chemical imaging through non-degenerate two-photon absorption in silicon-based cameras》。