El rango MIR del espectro electromagnético, que cubre aproximadamente la luz en el régimen de longitud de onda entre 3 y 10 micrómetros, coincide con las energías de las vibraciones moleculares fundamentales. El uso de esta luz para obtener imágenes puede producir imágenes fijas con especificidad química, es decir, imágenes con contraste derivado de la composición química de la muestra. Desafortunadamente, detectar la luz MIR no es tan simple como detectar la luz en el régimen visible. Las cámaras MIR actuales exhiben una excelente sensibilidad pero son muy sensibles al ruido térmico. Además, las cámaras MIR más rápidas adecuadas para el mapeo químico tienen sensores con un número bajo de píxeles, lo que limita la obtención de imágenes en alta definición.

Para superar este problema, Se han desarrollado varias estrategias para cambiar la información transportada por la luz MIR al rango visible, seguido de una detección eficiente con una moderna cámara basada en Si. A diferencia de las cámaras MIR, Las cámaras basadas en Si exhiben características de bajo ruido y tienen altas densidades de píxeles, haciéndolos candidatos más atractivos para aplicaciones de imágenes de alto rendimiento. El esquema de conversión requerido de MIR a visible, sin embargo, puede ser bastante complicado. Ahora, la forma más directa de lograr la conversión de color deseada es mediante el uso de un cristal óptico no lineal. Cuando la luz MIR y un haz de luz adicional del infrarrojo cercano (NIR) coinciden en el cristal, se genera un haz de luz visible a través del proceso de generación de frecuencia de suma, o SFG para abreviar. Aunque el truco de conversión ascendente de SFG funciona bien, es sensible a la alineación y requiere numerosas orientaciones del cristal para producir una sola imagen derivada de MIR en la cámara de Si.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos de la Universidad de California, Irvine, describe un método simple para detectar imágenes MIR con una cámara Si. En lugar de utilizar la no linealidad óptica de un cristal, utilizaron las propiedades ópticas no lineales del propio chip de Si para permitir una respuesta específica de MIR en la cámara. En particular, utilizaron el proceso de absorción de dos fotones no degenerados (NTA), cuales, con la ayuda de una viga adicional de 'bomba' NIR, desencadena la generación de portadores de carga fotoinducidos en Si cuando la luz MIR ilumina el sensor. En comparación con la conversión ascendente de SFG, el método NTA evita el uso de cristales de conversión ascendente no lineales por completo y está prácticamente libre de artefactos de alineación, lo que hace que las imágenes MIR con cámaras basadas en Si sean significativamente más simples.

El equipo, dirigido por el Dr. Dmitry Fishman y el Dr. Eric Potma, estableció por primera vez que el Si es un material adecuado para la detección MIR a través de NTA. Usando luz MIR con energías de pulso en el femtojulio (fJ, 10 ^-12 J) rango, encontraron que NTA en silicio es suficientemente eficiente para detectar MIR. Este principio les permitió realizar mediciones de espectroscopía vibratoria de líquidos orgánicos empleando un simple fotodiodo de Si como detector.

Luego, el equipo se movió para reemplazar el fotodiodo con una cámara de dispositivo de carga acoplada (CDD), que también utiliza silicio como material fotosensible. A través de NTA, pudieron capturar imágenes derivadas de MIR en un sensor de 1392x1040 píxeles con tiempos de exposición de 100 ms, produciendo imágenes químicamente selectivas de varios polímeros y materiales biológicos, así como nematodos vivos. A pesar de utilizar tecnología no optimizada específicamente para NTA, el equipo observó la capacidad de detectar pequeños (10 ^-2 ) cambios en la densidad óptica (DO) en la imagen.

"Estamos muy contentos de ofrecer esta nueva estrategia de detección a quienes utilizan la luz MIR para la obtención de imágenes, "dice David Knez, uno de los miembros del equipo. "Tenemos grandes esperanzas de que la simplicidad y versatilidad de este enfoque permita una amplia adopción y desarrollo de la tecnología". Añadiendo que NTA puede acelerar el análisis en una amplia variedad de campos, como la garantía de calidad farmacéutica, muestreo de minerales geológicos, o inspección microscópica de muestras biológicas.