La gamme MIR du spectre électromagnétique, qui couvre approximativement la lumière dans le régime de longueur d'onde compris entre 3 et 10 micromètres, coïncide avec les énergies des vibrations moléculaires fondamentales. L'utilisation de cette lumière à des fins d'imagerie peut produire des images fixes avec une spécificité chimique, c'est-à-dire des images avec un contraste dérivé de la composition chimique de l'échantillon. Malheureusement, la détection de la lumière MIR n'est pas aussi simple que la détection de la lumière dans le régime visible. Les caméras MIR actuelles présentent une excellente sensibilité mais sont très sensibles au bruit thermique. En outre, les caméras MIR les plus rapides adaptées à la cartographie chimique ont des capteurs avec un faible nombre de pixels, limitant ainsi l'imagerie en haute définition.

Pour surmonter ce problème, plusieurs stratégies ont été développées pour déplacer l'information portée par la lumière MIR dans le domaine visible, suivi d'une détection efficace avec une caméra moderne à base de silicium. Contrairement aux caméras MIR, Les caméras à base de silicium présentent des caractéristiques de faible bruit et des densités de pixels élevées, ce qui en fait des candidats plus attrayants pour les applications d'imagerie haute performance. Le schéma de conversion MIR en visible requis, cependant, peut être assez compliqué. Présentement, le moyen le plus direct d'obtenir la conversion de couleur souhaitée consiste à utiliser un cristal optique non linéaire. Lorsque la lumière MIR et un faisceau lumineux supplémentaire dans le proche infrarouge (NIR) coïncident dans le cristal, un faisceau de lumière visible est généré par le processus de génération de fréquence somme, ou SFG pour faire court. Bien que l'astuce de conversion ascendante SFG fonctionne bien, il est sensible à l'alignement et nécessite de nombreuses orientations du cristal pour produire une seule image MIR sur la caméra Si.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques de l'Université de Californie, Irvine, décrit une méthode simple pour détecter des images MIR avec une caméra Si. Au lieu d'utiliser la non-linéarité optique d'un cristal, ils ont utilisé les propriétés optiques non linéaires de la puce Si elle-même pour permettre une réponse spécifique MIR dans la caméra. En particulier, ils ont utilisé le processus d'absorption à deux photons non dégénérée (NTA), lequel, à l'aide d'un faisceau "pompe" NIR supplémentaire, déclenche la génération de porteurs de charge photo-induits dans Si lorsque la lumière MIR illumine le capteur. Par rapport à la conversion ascendante SFG, la méthode NTA évite complètement l'utilisation de cristaux de conversion ascendante non linéaire et elle est pratiquement exempte d'artefacts d'alignement, rendant l'imagerie MIR avec des caméras à base de silicium considérablement plus simple.

L'équipe, dirigé par le Dr Dmitry Fishman et le Dr Eric Potma, ont d'abord établi que le Si est un matériau adapté à la détection MIR par NTA. Utilisation de la lumière MIR avec des énergies d'impulsion dans le femtojoule (fJ, dix ^-12 J) gamme, ils ont découvert que le NTA dans le silicium est suffisamment efficace pour détecter le MIR. Ce principe leur a permis d'effectuer des mesures de spectroscopie vibrationnelle de liquides organiques en n'utilisant qu'une simple photodiode Si comme détecteur.

L'équipe a ensuite décidé de remplacer la photodiode par une caméra à dispositif à couplage de charge (CDD), qui utilise également du silicium comme matériau photosensible. Grâce à la NTA, ils ont pu capturer des images dérivées du MIR sur un capteur de 1392x1040 pixels à des temps d'exposition de 100 ms, produisant des images chimiquement sélectives de plusieurs matériaux polymères et biologiques ainsi que de nématodes vivants. Malgré l'utilisation d'une technologie non spécifiquement optimisée pour NTA, l'équipe a observé la capacité de détecter les petits (10 ^-2 ) des changements de densité optique (DO) dans l'image.

« Nous sommes ravis d'offrir cette nouvelle stratégie de détection à ceux qui utilisent la lumière MIR pour l'imagerie, " dit David Knez, l'un des membres de l'équipe. "Nous avons de grands espoirs que la simplicité et la polyvalence de cette approche permettent une large adoption et le développement de la technologie." Ajoutant que NTA peut accélérer l'analyse dans une grande variété de domaines, comme l'assurance qualité pharmaceutique, échantillonnage minéral géologique, ou inspection microscopique d'échantillons biologiques.