La gamme MIR du spectre électromagnétique couvre à peu près la lumière dans une plage de longueurs d'onde allant de 3 à 10 micromètres, correspondant aux énergies des vibrations moléculaires fondamentales. L'utilisation de cette lumière pour l'imagerie permet de générer des images fixes présentant une spécificité chimique, c’est-à-dire des images avec un contraste dérivé de la composition chimique de l’échantillon. Cependant, la détection de la lumière MIR est plus complexe que celle 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 pour la cartographie chimique ont un faible nombre de pixels, limitant ainsi l’imagerie en haute définition. 

Afin de pallier ce problème, diverses stratégies ont été mises au point afin de transférer les informations transportées par la lumière MIR vers la plage visible, puis de les détecter efficacement à l'aide d'une caméra moderne silicium. Contrairement aux caméras MIR, les caméras à base de silicium présentent un faible niveau de bruit et une forte densité de pixels, les rendant plus attrayantes pour des applications d'imagerie haute performance. Cependant, le schéma de conversion MIR-vers-visible peut être bien complexe. Actuellement, la méthode la plus directe pour obtenir la conversion de couleur souhaitée consiste à utiliser un cristal optique non linéaire. Lorsque la lumière MIR et un faisceau lumineux supplémentaire infrarouge proche(NIR) se rencontrent dans le cristal, un faisceau lumineux visible est généré par le biais du processus de génération de la fréquence somme, également connu sous l'acronyme SFG. Bien que cette astuce de conversion SFG soit efficace, elle nécessite un alignement précis et plusieurs orientations du cristal pour produire une seule image dérivée MIR sur la caméra silicium.

Dans un récent article paru dans Light Science & Applications, une équipe de scientifiques de l'Université de Californie à Irvine présente une méthode simple pour détecter des images MIR à l'aide d'une caméra silicium. Plutôt que de recourir à la non-linéarité optique d'un cristal, ils ont exploité les propriétés optiques non linéaires de la puce silicium elle-même pour obtenir une réponse spécifique au MIR dans la caméra. Plus précisément, ils ont utilisé le processus d'absorption biphotonique non dégénérée (NTA), qui, avec l'assistance d'un faisceau NIR 'pompe' supplémentaire, déclenche la génération de porteurs de charge photo-induits dans le silicium lorsque la lumière MIR atteint le capteur. Par rapport à la technique de conversion ascendante SFG, la méthode NTA permet d'éviter entièrement l'utilisation de cristaux de conversion non linéaire et est pratiquement exempte d'artefacts d'alignement, rendant ainsi l'imagerie MIR avec des caméras basées sur le silicium nettement plus simple.

Sous la direction du Dr. Dmitry Fishman et du Dr. Eric Potma, l'équipe a d'abord confirmé que le silicium est un matériau approprié pour la détection du MIR via la NTA. En employant la lumière MIR avec des énergies d'impulsion dans la gamme femtojoule (fJ, 10-12 J), ils ont constaté que la NTA dans le silicium était suffisamment efficace pour détecter le MIR. Ce principe leur a permis de réaliser des mesures de spectroscopie vibrationnelle de liquides organiques simplement à l’aide d’une photodiode en silicium comme détecteur.

Par la suite, l'équipe a substitué la photodiode par une caméra à mécanisme à transfert de charges (CCD) également équipée de silicium comme matériau photosensible. Grâce à la NTA, ils ont été en mesure de capturer des images dérivées du MIR sur un capteur de 1392x1040 pixels avec des temps d'exposition de 100 ms, produisant des images chimiquement sélectives de divers matériaux polymères, biologiques ainsi que des nématodes vivants. Malgré l'utilisation d'une technologie non spécifiquement optimisée pour la NTA, l'équipe a observé la capacité de détecter de minuscules variations (10-2) dans la densité optique (OD) de 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, membre de l'équipe. " Nous nourrissons de grands espoirs quant à la capacité de cette approche simple et polyvalente à favoriser une adoption étendue et l'évolution de la technologie. "  Ajoutant que NTA peut accélérer l'analyse dans une grande variété de domaines, tels que l'assurance de qualité pharmaceutique, l'échantillonnage minéral géologique ou l'inspection microscopique des échantillons biologiques.