Single-Photon Infrared Imaging with a Silicon Camera Based on Long-Wavelength-Pumping Two-Photon Absorption

Resumo Técnico: Imagem de Infravermelho de Fotão Único com uma Câmera de Silício Baseada em Absorção de Dois Fotões com Bombeamento de Comprimento de Onda Longo

Definição do Problema
A detecção óptica sensível é crítica para aplicações que variam desde a ótica quântica até à inspeção industrial. Embora os detetores baseados em silício ofereçam um desempenho superior no espetro visível (alta eficiência quântica, baixas contagens escuras e temporização rápida), a sua utilidade é limitada na região do infravermelho (IR) porque a energia do bandgap do silício (1,12 eV) excede a energia do fotão para comprimentos de onda de telecomunicações (ex: 1550 nm). Tentativas anteriores de estender a deteção de silício para o IR basearam-se em modificações de materiais (ex: Ge-on-Si, implantação de defeitos) ou esquemas de conversão ascendente (upconversion) não lineares. No entanto, a conversão ascendente exige frequentemente ótica de correspondência de fase (phase-matching) complexa, o que limita o campo de visão e a largura de banda espetral. Além disso, os métodos existentes de absorção de dois fotões (2PA) para imagem IR utilizando bombeamento degenerado (onde os comprimentos de onda do bombeamento e do sinal são idênticos) sofrem de ruído de fundo severo causado pela absorção harmónica do forte campo de bombeamento e oferecem uma eficiência de deteção limitada para sinais fracos.

Metodologia
Os autores demonstraram experimentalmente um sistema de imagem ultra-sensível utilizando um dispositivo de carga acoplada de multiplicação de eletrões (EMCCD) de silício baseado em absorção de dois fotões não-degenerada (ND-2PA) com um esquema de bombeamento de comprimento de onda longo.

• Configuração Experimental: O sistema utiliza um sistema de laser de fibra de modo bloqueado (mode-locked) sincronizado. Um sinal de 1550 nm (banda de telecomunicações) e um bombeamento de infravermelho médio (MIR) de 3070 nm são gerados. O bombeamento MIR é produzido via geração de frequência de diferença num cristal de niobato de lítio periodicamente polido (PPLN) utilizando pulsos amplificados de 1030 nm e 1550 nm.
• Estratégia de Bombeamento: A energia do fotão de bombeamento (0,4 eV) é deliberadamente escolhida para ser inferior à energia do mid-gap do silício (0,56 eV). Isto garante que o campo de bombeamento, por si só, não possa induzir absorção de dois fotões degenerada ou absorção significativa de três fotões, eliminando assim o ruído de fundo gerado pela excitação harmónica do bombeamento.
• Mecanismo: A imagem baseia-se na absorção simultânea de um fotão de sinal de 1550 nm (0,8 eV) e um fotão de bombeamento de 3070 nm (0,4 eV). A sua energia combinada (1,2 eV) excede o bandgap do silício, gerando portadores de carga livres que são detetados pelo EMCCD.
• Configuração: O sinal e o bombeamento são combinados espacialmente e projetados no EMCCD através de um sistema 4f. O sistema opera com resolução temporal de picosegundos (janela de porta de 5 ps) devido ao gating ótico coincidente das fontes pulsadas.

Principais Contribuições

1. Supressão de Ruído: Ao empregar um bombeamento de comprimento de onda longo (3070 nm) com energia de fotão abaixo do mid-gap do silício, o sistema elimina eficazmente o ruído de fundo proveniente da absorção harmónica do campo de bombeamento, um problema comum na imagem 2PA degenerada.
2. Absorção Não Linear Aumentada: A operação não-degenerada aumenta significativamente o coeficiente de absorção de dois fotões em comparação com esquemas degenerados. A análise teórica e os dados experimentais mostram um fator de aumento inversamente proporcional à potência do sinal, tornando o esquema particularmente eficaz para sinais fracos.
3. Sensibilidade de Fotão Único: A combinação da operação de baixo ruído e do alto ganho do EMCCD permitiu ao sistema aproximar-se de uma sensibilidade de deteção de 1 fotão/pixel/pulso, um marco para a imagem baseada em 2PA.
4. Alta Resolução Espacial e Capacidade de Banda Larga: Ao contrário dos métodos de conversão ascendente, este processo não linear on-chip não requer correspondência de fase. Isto permite uma alta resolução espacial de 13 μm (limitada pelo tamanho do pixel) e uma janela de aceitação espetral ampla sem a necessidade de alinhamento ótico complexo.

Resultos

• Desempenho de Imagem: O sistema capturou com sucesso imagens 2D de máscaras de transmissão e alvos de resolução (USAF-1951). A análise da Função de Transferência de Modulação (MTF) indicou uma resolução espacial aproximando-se de 40 pares de linhas/mm (12,4 μm).
• Comparação de Sensibilidade: Comparado com a 2PA degenerada (D-2PA), a configuração ND-2PA proporcionou um aumento de 32 vezes na taxa de contagem de fotões para os níveis de potência testados. A taxa de contagem para ND-2PA mostrou uma dependência linear em relação à potência do sinal, enquanto a D-2PA mostrou uma dependência quadrática, confirmando a dominância do processo não-degenerado para sinais fracos.
• Operação de Fotão Único: O sistema alcançou imagens de alto contraste com uma iluminação incidente de 1 fotão/pixel/pulso, embora exigindo um tempo de acumulação mais longo (80 s) em comparação com condições de fluxo mais elevado (100 fotões/pixel/pulso com 8 s de exposição).
• Resolução Temporal: O sistema demonstrou uma resolução temporal de aproximadamente 5 ps (determinada pela duração do pulso), permitindo uma resolução longitudinal de 0,75 mm em imagem reflexiva. Esta resolução é ordens de magnitude superior ao jitter de temporização dos métodos de deteção direta.
• Demonstração de Aplicação: O sistema foi utilizado para imagear uma lâmina de silício com características de ablação a laser, demonstrando o seu potencial para inspeção de defeitos não destrutiva em chips de semicondutores.

Significado
O artigo afirma que este trabalho representa uma conquista sem precedentes na sensibilidade de imagem baseada no esquema 2PA. Ao combinar a técnica de bombeamento de comprimento de onda longo com um EMCCD de silício, os autores realizaram um sistema de imagem de infravermelho direto, sensível a fotão único, que evita os rigorosos requisitos de correspondência de fase e as complexidades de alinhamento ótico da conversão ascendente. Os autores afirmam que esta capacidade facilita aplicações como microscopia de tempo de vida de fluorescência de baixa luminosidade e imagem 3D de contagem de fotões por tempo de voo (time-of-flight). Eles sugerem ainda que estender o comprimento de onda de bombeamento para além de 3300 nm poderá eliminar ainda mais o ruído residual de absorção de três fotões, permitindo potencialmente uma sensibilidade ainda maior, campos de visão maiores e resolução melhorada para tomografia ótica volumétrica.