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超級紅外感知:讓你的世界多一種顏色

原標題:超級紅外感知:讓你的世界多一種顏色

原創 長光所Light中心 中國光學 收錄于話題#光學成像9個

撰稿 | 楊向飛(北京大學 博士)

人眼能捕捉到波長在400納米到700納米之間的光子——在藍光和紅光對應的波長之間,因此這個波段的光被定義為「可見光」。但這隻是電磁波譜的一小部分,400納米以下還有紫外線,700納米以上有紅外輻射,紅外輻射又分為近紅外、中紅外和遠紅外……在電磁波譜的每一個部分中,都有大量編碼為「顏色」的信息,直到現在都還隱藏在暗處,等待人們去發掘。

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圖源:中國科學院長春光機所,Light學術出版中心,新媒體工作組

光譜中的「顏色」是非常重要的信息,很多分子都有其特徵「顏色」(如分子振動、轉動等)。例如,癌症細胞含有高濃度的具有特定「顏色」的分子,這些分子在紅外區很容易被檢測到,因此醫學上可以通過紅外相機對癌症進行診斷。但是目前的紅外探測技術成本高昂,且成像效果有待提高。

最近,以色列特拉維夫大學的Haim Suchowski團隊【⏬】開發了一種低成本、高效率的成像技術, 這項技術可以將整個中紅外區域的光子轉換到可見區域,進而可用於自然界中存在的、普通照相機或肉眼「看不見」的生物成像。

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圖1 本文所述技術使得普通相機能夠「看到」不可見的物體

圖源:Tel Aviv University

相關研究成果發表在Laser & Photonics Reviews,標題為「Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion」。

Suchowski教授表示:「如果人類能看到紅外光,我們將會看到像氫、碳和鈉等元素都有自己獨特的顏色。因此,通過對紅外光的探測,環境監測衛星可以「看到」工廠排放的污染物,間諜衛星可以「看到」爆炸物或鈾的存放之處;此外,由於每個物體都以紅外線發出熱量,因此這些信息即使在黑暗中也能被看到。」

由於大部分有機化合物的特徵振動峰都位於紅外(IR)波段,因此,光譜分辨的紅外成像是遠程化學鑒定中當之無愧的核心技術,在化學、生物、礦物學、環境科學等領域均有著巨大的應用價值。

通過非線性晶體將紅外光轉換為可見光,再藉助廉價、高性能硅檢測器進行檢測,即可實現非線性上轉換成像。相比于廣泛使用但造價高昂、響應速度慢、空間解析度低、靈敏度差且需要額外製冷的熱感測成像技術而言,這種上轉換成像技術具有很大的優勢。然而,非線性光學的相位匹配問題嚴重限制了上轉換技術的頻譜帶寬,往往需要複雜的串列採集才能覆蓋較寬的頻譜。

本文提出了一種基於絕熱頻率轉換的中紅外上轉換成像方案,採用低成本、高靈敏度的可見CMOS感測器實現了中紅外多色成像,輻射波段範圍從2微米到4微米,全程無需調整轉換晶體的相位匹配條件。

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圖2 多光譜物體中紅外成像

(a)目前應用最廣泛的熱成像,所得到的圖像是在光譜帶寬上集成的,因此缺乏顏色區分;

(b)基於絕熱頻率轉換的上轉換成像,可同時對多個紅外波長成像,且成本低、靈敏度高、速度快。

圖源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.1

絕熱頻率轉換成像

本工作中,研究人員設計了絕熱和頻轉換晶體(ASFG),可以消除激發光(1030 nm)與中紅外信號(2~4微米)之間的相位不匹配。將此晶體用於如圖3所示的成像系統中,即可將2~4微米的波長轉換到690~820納米之間,實現超寬譜帶範圍的上轉換成像。整個裝置採用波長為1030 nm,重複速率為2MHz的超快脈衝激光作為激發源,通過可調諧光參量發生器激發紅外發光以及絕熱和頻轉換過程。

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圖3. (a)基於絕熱和頻轉換(ASFG)的上轉換成像裝置示意圖;

(b)上轉換成像結果展示:

從左到右原始發光波長分別為2.5 μm, 3.2 μm和3.8 μm,

上轉換后波長在700 nm, 790 nm和810 nm。

圖源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.2

超快時間成像能力

為了展示上轉換成像技術的超快時間成像能力,作者將2微米和4微米兩個波長的紅外光信號分別通過5毫米厚的硅窗口;由於色散作用,兩個波長的信號會發生時間上的分離,進而可以用短脈衝1030 nm泵浦激光(~800 fs)進行時間區分(如圖4所示)。

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圖4 上轉換成像的時間分辨能力展示:

縱軸表示時間,橫軸表示轉換后的波長;

可見此技術具有超快的時間區分能力。

圖源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.3

高解析度

最後,研究人員藉助1951 USAF標準卡片說明了上述成像系統的高解析度。如圖5所示,該系統在2微米波長處的解析度可達28.51 (line pairs/mm),符合理論可實現的解析度。相比之下,4微米處的解析度差一些,主要是由於受到ASFG晶體接受孔徑的限制。

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圖5 絕熱上轉換相機在2微米,3微米,4微米波長處的解析度測試,

從上到下三行分別對應1951 USAF標準卡片中的不同解析度。

圖源:Nature, 2020, 585, 211–216,Fig.4

總結

本文提出了利用絕熱轉換方案進行上轉換成像的設計思路,能夠在單次拍攝過程中將2~4微米波段的中紅外圖像轉換為可見光-近紅外圖像。

由於絕熱方法固有的寬頻帶和高效率等特點,該技術比目前廣泛使用的具有相位匹配局限的非線性上轉換成像方法性能更好,為未來新型材料的高分辨、超快速中紅外遙感和時空間表徵鋪平了道路。

文章信息

Mrejen, M., et al. (2020) Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion. Laser & Photonics Reviews.

文章地址

https://doi.org/10.1002/lpor.202000040

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