Silikon ile görünür hale getirilen orta kızılötesi görüntüleme

Genellikle kızılötesi (miR) spektral bölgenin (2.5-25 μm), genellikle “Moleküler Parmak İzi Bölgesi”moleküllerin benzersiz titreşim özelliklerini ortaya çıkarır ve bu nedenle tıp, gıda güvenliği, çevresel algılama ve malzeme analizindeki uygulamalar için paha biçilmezdir. Bununla birlikte, HGCDTE ve INSB gibi dar bandgap malzemelerine dayanan geleneksel MIR kameraları tipik olarak oda sıcaklığında yüksek gürültüden muzdariptir ve kriyojenik soğutma gerektirir. Silikon dedektörler, aksine, oda sıcaklığında mükemmel performans gösterir, ancak miR sinyallerini doğrudan tespit edemez.

Bu zorluğu ele almak için, araştırmacılar dejenere olmayan iki foton emilimi (ND-2PA) prensibinden yararlandı: MIR foton ve yakın kızılötesi (NIR) pompa fotonu, silikon bant aralığı boyunca ortaklaşa terk ederek dolaylı miR tespitini sağlıyor. Bu işlem katı faz eşleşmesi olmadan çalışır ve oda sıcaklığında geniş bant tepkisi sunar. Bununla birlikte, geniş görüş alanını, yüksek hassasiyeti ve hızlı edinimi – pratik MIR görüntüleme için anahtar gereksinimlerini birleştirmek zor kalmıştır.

İki foton hesaplama görüntüleme

Doğu Çin Normal Üniversitesi'nde (ECNU) Prof. Heing Zeng ve Prof. Kun Huang liderliğindeki araştırma ekibi sahip olmak ND-2PA'yı tek piksel hesaplama görüntüleme çerçevesine tanıttı ve entegre bir kodlama-tespit sistemi oluşturdu (Şekil 1). Bu şemada, mekansal olarak yapılandırılmış NIR pompa ışığı bir tamamen optik maske miR sinyali için. Pompa ve sinyal fotonları bir silikon dedektörü içinde birlikte etkileşime girdiğinde, enerjileri bant aralığını aşarak ölçülebilir bir foto akım üretir (Şekil 2). Her yapılandırılmış pompa deseni, dedektör tepkisinde daha sonra hesaplamalı rekonstrüksiyon için kullanılan farklı bir “projeksiyon” bırakır.

Olgun NIR modülasyon tekniklerinden yararlanarak, sistem uzun dalga boyu modülasyonunun kırınım sınırlarını atlar ve 11 uM görüntüleme çözünürlüğüne karşılık gelen ~ 7 μm uzamsal kodlama hassasiyeti elde eder. Bu sonuçlar, yaklaşımın fizibilite ve performans avantajlarını deneysel olarak doğrulamaktadır.

Kimyasal seçicilik ve uygulamalar

Prensip doğrulamasının ötesinde, ekip bu yaklaşımın çok spektral ve kimyasal seçici görüntüleme potansiyelini göstermiştir. İnce polistiren (PS) ve polivinil klorür (PVC) filmleri ile yapılan deneylerde, sistem, kimyasal tanıma ve moleküler algılama vaadinin altını çizerek, 2.5-3.8 μm band (Şekil 3) boyunca farklı emilim parmak izlerini başarıyla ayırt etti.

İleriye baktığımızda, teknik, yüksek tanımlı görüntüleme için megapiksel düzeyinde çözünürlük elde etmek için yüksek sayısal açık optik ve büyük alan dedektörleri ile birleştirilebilir. Pompa dalga boylarının ve dedektör malzemelerinin optimize edilmesi, operasyonel bandı daha da genişleterek moleküler parmak izi tanımlamasını artırabilir. Bu arada, senkron darbeli geçit, yüksek çözünürlüklü miR 3D görüntülemenin yolunu açarak derinlik çözünürlüğü sağlayabilir.

Daha fazla ayrıntı için lütfen son yayınımızı okuyun: Huijie MA, Kun Huang*, Jianan Fang, Ziyu HE, Yan Liang*, “İki foton optik kodlama yoluyla orta kızılötesi tek piksel görüntüleme”, Fotonix 6, 34 (2025).