超级红外感知:让你的世界多一种颜色

人眼能捕捉到波长在400纳米到700纳米之间的光子——在蓝光和红光对应的波长之间,因此这个波段的光被定义为“可见光”。但这只是电磁波谱的一小部分,400纳米以下还有紫外线,700纳米以上有红外辐射,红外辐射又分为近红外、中红外和远红外……在电磁波谱的每一个部分中,都有大量编码为“颜色”的信息,直到现在都还隐藏在暗处,等待人们去发掘。

光谱中的“颜色”是非常重要的信息,很多分子都有其特征“颜色”(如分子振动、转动等)。例如,癌症细胞含有高浓度的具有特定“颜色”的分子,这些分子在红外区很容易被检测到,因此医学上可以通过红外相机对癌症进行诊断。但是目前的红外探测技术成本高昂,且成像效果有待提高。

最近,以色列特拉维夫大学的Haim Suchowski团队开发了一种低成本、高效率的成像技术, 这项技术可以将整个中红外区域的光子转换到可见区域,进而可用于自然界中存在的、普通照相机或肉眼“看不见”的生物成像。

相关研究成果发表在Laser & Photonics Reviews,标题为“Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion”。 文章地址: https://doi.org/10.1002/lpor.202000040。

Suchowski教授表示:“如果人类能看到红外光,我们将会看到像氢、碳和钠等元素都有自己独特的颜色。因此,通过对红外光的探测,环境监测卫星可以“看到”工厂排放的污染物,间谍卫星可以“看到”爆炸物或铀的存放之处;此外,由于每个物体都以红外线发出热量,因此这些信息即使在黑暗中也能被看到。”

由于大部分有机化合物的特征振动峰都位于红外(IR)波段,因此,光谱分辨的红外成像是远程化学鉴定中当之无愧的核心技术,在化学、生物、矿物学、环境科学等领域均有着巨大的应用价值。

通过非线性晶体将红外光转换为可见光,再借助廉价、高性能硅检测器进行检测,即可实现非线性上转换成像。相比于广泛使用但造价高昂、响应速度慢、空间分辨率低、灵敏度差且需要额外制冷的热传感成像技术而言,这种上转换成像技术具有很大的优势。然而,非线性光学的相位匹配问题严重限制了上转换技术的频谱带宽,往往需要复杂的串行采集才能覆盖较宽的频谱。

本文提出了一种基于绝热频率转换的中红外上转换成像方案,采用低成本、高灵敏度的可见CMOS传感器实现了中红外多色成像,辐射波段范围从2微米到4微米,全程无需调整转换晶体的相位匹配条件。

图 多光谱物体中红外成像(a)目前应用最广泛的热成像,所得到的图像是在光谱带宽上集成的,因此缺乏颜色区分;(b)基于绝热频率转换的上转换成像,可同时对多个红外波长成像,且成本低、灵敏度高、速度快。图源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.1

绝热频率转换成像本工作中,研究人员设计了绝热和频转换晶体(ASFG),可以消除激发光(1030 nm)与中红外信号(2~4微米)之间的相位不匹配。将此晶体用于如图3所示的成像系统中,即可将2~4微米的波长转换到690~820纳米之间,实现超宽谱带范围的上转换成像。整个装置采用波长为1030 nm,重复速率为2MHz的超快脉冲激光作为激发源,通过可调谐光参量发生器激发红外发光以及绝热和频转换过程。

图 (a)基于绝热和频转换(ASFG)的上转换成像装置示意图;(b)上转换成像结果展示:从左到右原始发光波长分别为2.5 μm, 3.2 μm和3.8 μm,上转换后波长在700 nm, 790 nm和810 nm。图源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.2

超快时间成像能力为了展示上转换成像技术的超快时间成像能力,作者将2微米和4微米两个波长的红外光信号分别通过5毫米厚的硅窗口;由于色散作用,两个波长的信号会发生时间上的分离,进而可以用短脉冲1030 nm泵浦激光(~800 fs)进行时间区分(如图4所示)。

图 上转换成像的时间分辨能力展示:纵轴表示时间,横轴表示转换后的波长;可见此技术具有超快的时间区分能力。图源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.3

高分辨率最后,研究人员借助1951 USAF标准卡片说明了上述成像系统的高分辨率。如图5所示,该系统在2微米波长处的分辨率可达28.51 (line pairs/mm),符合理论可实现的分辨率。相比之下,4微米处的分辨率差一些,主要是由于受到ASFG晶体接受孔径的限制。

图 绝热上转换相机在2微米,3微米,4微米波长处的分辨率测试,从上到下三行分别对应1951 USAF标准卡片中的不同分辨率。图源:Nature, 2020, 585, 211–216,Fig.4

总结

本文提出了利用绝热转换方案进行上转换成像的设计思路,能够在单次拍摄过程中将2~4微米波段的中红外图像转换为可见光-近红外图像。

由于绝热方法固有的宽频带和高效率等特点,该技术比目前广泛使用的具有相位匹配局限的非线性上转换成像方法性能更好,为未来新型材料的高分辨、超快速中红外遥感和时空间表征铺平了道路。

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