BLAZE ?科學(xué)級(jí) CCD 相機(jī)的突破性技術(shù)大幅提升近紅外量子效率，實(shí)現(xiàn)卓越的定量光譜測量。Teledyne Princeton Instruments 的BLAZE 光譜相機(jī)配備兩個(gè)革命性的背照式深耗盡傳感器，可提供CCD 平臺(tái)中最高的近紅外量子效率、最快的光譜速率和最深的熱電冷卻。較低的熱產(chǎn)生暗噪聲，加上低讀取噪聲電子器件的使用，提高了信噪比并進(jìn)一步提高了靈敏度。BLAZE 相機(jī)的應(yīng)用包括納米技術(shù)、2D 材料、碳材料、生物傳感和生命科學(xué)。這些新一代相機(jī)為使用拉曼光譜、光致發(fā)光和熒光光譜以及微光譜和泵浦探測光譜等測量技術(shù)的科學(xué)家提供了最高性能。

介紹

基于各種背照式 CCD 架構(gòu)的檢測系統(tǒng)是大多數(shù)光譜應(yīng)用的首選，因?yàn)檫@種可靠的傳感器技術(shù)能夠在整個(gè) UV-VIS-NIR 波長范圍(從小于 200 nm 到 1.1 μm)提供最高的可用量子效率。

標(biāo)準(zhǔn)背照式傳感器是通過化學(xué)蝕刻和拋光硅晶片制造而成的，厚度僅為 13 微米。當(dāng)從傳感器背面照射時(shí)，幾乎 100% 的入射光都可以被檢測到，因?yàn)槿肷涔鈺?huì)照射到外延硅層上，而無需穿過位于設(shè)備正面的多晶硅柵極。

背照式深耗盡 CCD 使用更厚的硅耗盡區(qū)(~40 μm)來補(bǔ)償較長波長所需的較長吸收長度。在近紅外波段，量子效率隨著耗盡區(qū)厚度的增加而增加。因此，與標(biāo)準(zhǔn)背照式 CCD 相比，背照式深耗盡 CCD在近紅外波段具有更高的效率。

然而，值得注意的是，所有硅基 CCD 都無法探測波長超過 1.1 μm 的波長。Teledyne Princeton Instruments 還提供線性或二維陣列格式的InGaAs 探測器。這些設(shè)備對(duì)波長范圍從 ~850 nm 到 1.7 μm(擴(kuò)展范圍設(shè)備上為 2.2 μm)的波長具有感光性，但人們應(yīng)該意識(shí)到，III-V 化合物半導(dǎo)體 InGaAs 的暗電流確實(shí)比硅高，而且此類系統(tǒng)通常依靠液氮冷卻來提高信噪比。

在 BLAZE 推出之前，800 nm 至 1.0 μm波長范圍內(nèi)的嚴(yán)重性能限制(俗稱“死亡之谷”)一直困擾著光譜學(xué)家，無論他們選擇使用哪種類型的 CCD、InGaAs、CMOS、PMT 或固態(tài)單點(diǎn)探測器進(jìn)行工作。BLAZE 相機(jī)通過在此特殊波長帶中提供更高的量子效率解決了這一長期存在的問題(見圖 1)。

圖 1：傳統(tǒng) CCD、InGaAs 和 BLAZE 探測器 QE 曲線。在 800 nm 和 1.0 μm 之間的所謂“死亡之谷”中，傳統(tǒng) CCD 和 InGaAs 陣列的量子效率較低。BLAZE 傳感器在此范圍內(nèi)表現(xiàn)非常出色。

全新專有傳感器技術(shù)

BLAZE 光譜相機(jī)基于革命性的新型背照式深耗盡 CCD 傳感器。除了在 800 nm 和 1100 nm 之間提供比之前最好的探測器高 3 到 7 倍的靈敏度外，BLAZE 傳感器在 900 nm 處提供95% 的峰值量子效率(見圖 2)。新傳感器采用 1340×100 或 1340×400 陣列格式，像素為 20 μm。

圖 2：圖表顯示了在 +25°C 下測量的典型 QE 數(shù)據(jù)。兩種專有的新傳感器，HR 傳感器和 LD 傳感器，為 BLAZE 用戶提供了無與倫比的光譜應(yīng)用性能。請(qǐng)注意，BI 傳感器是標(biāo)準(zhǔn)的背照式(非深耗盡)CCD，而 Unichrome 是 Teledyne Princeton Instruments 提供的紫外線增強(qiáng)涂層。

專有的 BLAZE HR 傳感器(見圖 3)是“超深耗盡”CCD，由高電阻率塊狀硅制成，可產(chǎn)生任何硅器件中最高的近紅外量子效率。每個(gè) HR 傳感器的硅耗盡區(qū)幾乎比傳統(tǒng)深耗盡(近紅外敏感)CCD厚 4 倍，在 1 μm 處提供的量子效率比其他最好的深耗盡傳感器高出 7 倍。

圖 3：背照式“超深耗盡” HR 傳感器旨在為任何光譜 CCD 提供最高的近紅外量子效率。

通過施加偏置電壓，可以優(yōu)化 HR 傳感器的空間分辨率，從而產(chǎn)生“完全耗盡”的硅區(qū)域，不會(huì)發(fā)生電荷擴(kuò)散。偏置電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場，將電荷推向正確的像素，而不允許電荷遷移到相鄰的像素。

專有的 BLAZE LD 傳感器是背照式深耗盡器件，設(shè)計(jì)用于高靈敏度和極低的暗電流(見圖 4)。這些器件以反轉(zhuǎn)模式運(yùn)行，將負(fù)電壓施加到成像相并驅(qū)動(dòng)每個(gè)相反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的負(fù)電荷吸引填充表面態(tài)的空穴，抑制狀態(tài)下的暗電流產(chǎn)生。使用反轉(zhuǎn)模式和深熱電冷卻可將暗電流降低至 0.0005 e-/pix/秒(典型值)，使 LD 傳感器成為需要長積分時(shí)間的實(shí)驗(yàn)的理想選擇。

圖 4：專有 BLAZE LD 傳感器以反轉(zhuǎn)模式運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)極低的暗電流，這使其非常適合低光光譜應(yīng)用。

明顯更好的性能

為了展示 BLAZE HR 傳感器的性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)來測量該設(shè)備與當(dāng)前最先進(jìn)的檢測技術(shù)相比的靈敏度提高。

實(shí)驗(yàn)#1

為了進(jìn)行比較，我們使用熱電冷卻的 BLAZE HR 傳感器和 LN 冷卻的 InGaAs 陣列采集了從880 nm 到 1.0 μm 的原子燈發(fā)射。圖 5 顯示了在相同條件下(即相同的光譜儀、光柵和光源)收集的光譜。使用 BLAZE HR 傳感器獲得的信噪比明顯更高。

圖 5：使用 Teledyne Princeton Instruments SpectraPro ? HRS-300 光譜儀(帶有 600 g/mm 光柵，在 1000 nm 閃耀處)對(duì)使用熱電冷卻的 BLAZE HR 傳感器(藍(lán)色)和 LN 冷卻的 InGaAs 陣列(橙色)收集的原子發(fā)射燈光譜進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn) # 2

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們測量了吲哚菁綠 (IcG)在與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)相同的波長范圍內(nèi)的光致發(fā)光。圖 6 顯示了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)置。通過將激發(fā)光源的輸出通過透鏡聚焦到裝有 IcG 樣品的比色皿上，收集光致發(fā)光 (PL) 發(fā)射，并用與激發(fā)光束成 90° 角的另一個(gè)透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直。準(zhǔn)直光束穿過濾光片后聚焦到光譜儀的入口狹縫上配備一對(duì)探測器：(1) 配備 HR 傳感器的熱電冷卻 BLAZE 相機(jī)和 (2) LN 冷卻線性 InGaAs 陣列?？梢苿?dòng)光束轉(zhuǎn)向鏡可將分散的 PL 發(fā)射引導(dǎo)至兩個(gè)探測器中的任一個(gè)。

圖 6：利用“IcG 光致發(fā)光”實(shí)驗(yàn)裝置比較使用熱電冷卻BLAZE HR 傳感器和 LN 冷卻線性 InGaAs 陣列獲得的原子發(fā)射燈光譜。

使用Teledyne Princeton Instruments LightField? 軟件來控制系統(tǒng)的操作以及數(shù)據(jù)采集。使用兩個(gè)攝像頭采集 PL 光譜，從而可以調(diào)整積分時(shí)間以產(chǎn)生相同的相對(duì)強(qiáng)度。HR 傳感器的積分時(shí)間為 15 秒，InGaAs 陣列的積分時(shí)間為 100 秒。為了消除儀器對(duì)光譜數(shù)據(jù)的不必要影響，使用 Teledyne Princeton Instruments IntelliCal? 校準(zhǔn)系統(tǒng)和 NIST 可追溯石英鎢鹵素 (QTH) 燈進(jìn)行強(qiáng)度校準(zhǔn)。

圖 7 顯示，每臺(tái)相機(jī)產(chǎn)生的光譜之間具有良好的相關(guān)性。然而，HR-Sensor 能夠提供約 6.6 倍的靈敏度，同時(shí)產(chǎn)生背景噪聲明顯較低的光譜。因此，新的 BLAZE 相機(jī)將使研究人員能夠檢測超低濃度的 IcG，并在組織內(nèi)進(jìn)行更復(fù)雜的功能光譜分析。

圖 7：使用熱電冷卻 BLAZE 相機(jī)獲取的 IcG 聚合體的歸一化 PL 光譜，該相機(jī)配置了 -75°C 的 HR 傳感器和 -100°C 的 LN 冷卻線性 InGaAs 陣列。HR 傳感器和 InGaAs 陣列的積分時(shí)間分別為 15 秒和 100 秒。實(shí)驗(yàn)使用了 Teledyne Princeton Instruments SpectraPro HRS-300 光譜儀，該光譜儀具有 600 g/mm 光柵，閃爍波長為 1000 nm。數(shù)據(jù)由美國麻省理工學(xué)院的 Bawendi 小組提供。

實(shí)驗(yàn)# 3

圖 8 顯示了使用 BLAZE HR-Sensor 獲得的環(huán)己烷拉曼光譜(從 ~150 到 3000 cm -1 )。使用 500 mW、785 nm 的激光在環(huán)己烷樣品中產(chǎn)生拉曼散射。透鏡收集并準(zhǔn)直拉曼散射，然后通過瑞利濾光片抑制激光輻射。光譜儀將拉曼散射分散到 HR-Sensor 上進(jìn)行檢測和分析。HR-Sensor 的卓越量子效率使其能夠快速檢測3000 cm -1(1026 nm)以內(nèi)的拉曼信號(hào)。

圖 8：采用 785 nm 激光激發(fā)獲得的環(huán)己烷拉曼光譜(從 150 到 3000 cm -1)，BLAZE 相機(jī)配置了 HR 傳感器，熱電冷卻至 -95°C，SpectraPro HRS-300 光譜儀配有 300 g/mm 光柵，閃耀溫度為 500 nm。

滿足所有需求的速度

新的 BLAZE 平臺(tái)采用了CCD 相機(jī)中最快的 ADC 速度(見圖 9)。LD 相機(jī)型號(hào)可以使用雙 10 MHz 讀出端口運(yùn)行，而 HR 相機(jī)則具有雙 16 MHz 讀出端口。這實(shí)現(xiàn)了前所未有的光譜速率，在完全垂直合并的情況下超過 1600 光譜/秒，在動(dòng)力學(xué)模式下運(yùn)行時(shí)最高可達(dá) 215 kHz——這對(duì)于在時(shí)間分辨研究中與超快激光同步至關(guān)重要，例如相干反斯托克斯拉曼光譜 (CARS)、尖端增強(qiáng)拉曼光譜 (TERS) 和生物體內(nèi)拉曼光譜。

圖 9：BLAZE HR 和 LD 相機(jī)型號(hào)的速度是用于光譜分析的其他 CCD 相機(jī)無法比擬的。

BLAZE 傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)還使相機(jī)能夠利用 Teledyne Princeton Instruments 獨(dú)有的SeNsR 功能：片上雙向時(shí)鐘和信號(hào)累積。借助 SeNsR，電荷(即信號(hào))可以在 CCD 上移動(dòng)而無需讀出數(shù)據(jù)。這項(xiàng)創(chuàng)新使 BLAZE 相機(jī)在泵探測實(shí)驗(yàn)期間以半鎖定模式運(yùn)行，以提高信噪比并改善低光照檢測。

深熱電冷卻

所有 BLAZE 相機(jī)均采用 Teledyne Princeton Instruments 專有的ArcTec TM技術(shù)，深度熱電冷卻，允許在空氣中以低至 -95°C 的溫度下運(yùn)行(見圖 10)，無需冷卻器或液體輔助，實(shí)現(xiàn)低暗電流性能。

圖 10：BLAZE 相機(jī)使用 ArcTec 技術(shù)在空氣中實(shí)現(xiàn) -95°C 冷卻，無需冷卻器或液體輔助。沒有競爭相機(jī)可以匹敵這種性能。

ArcTec 使用定制設(shè)計(jì)的Peltier 設(shè)備、先進(jìn)的多級(jí)熱電冷卻和永久性全金屬超高真空密封，為光譜 CCD 實(shí)現(xiàn)前所未有的冷卻性能。系統(tǒng)可靠性由終身真空保證支持。借助 ArcTec，BLAZE 相機(jī)甚至可以利用接近室溫(即 +20°C)的液體輔助提供無冷凝的 TRUE -100°C 冷卻。

值得注意的是，當(dāng)制造商聲稱可以在-100°C 溫度下操作時(shí)，通常需要使用+10°C 的冷卻液，這很有可能在攝像機(jī)內(nèi)部形成有害的冷凝水，最終會(huì)損害其傳感器的冷卻能力。BLAZE 相機(jī)所達(dá)到的較低 CCD 溫度可產(chǎn)生較低的暗電流，從而實(shí)現(xiàn)更長的曝光時(shí)間和卓越的低光檢測能力。

智能光譜軟件

BLAZE 與 LightField 軟件無縫集成(見圖 11)，可實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集和光譜數(shù)據(jù)處理。這款功能強(qiáng)大的 64 位軟件包可在 Microsoft ? Windows ? 10 上運(yùn)行，并集成 LabVIEW ?(National Instruments)和 MATLAB ?(MathWorks)支持。對(duì)于多用戶設(shè)施，LightField 可以記住每個(gè)用戶的實(shí)驗(yàn)配置。

圖 11：LightField 軟件可以完全控制所有 Teledyne Princeton Instruments 相機(jī)和光譜儀。

LightField 的主要功能包括通過自動(dòng)保存到磁盤、時(shí)間戳和保留原始數(shù)據(jù)和校正數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性;集成新的SeNsR 技術(shù)用于鎖定和泵探測實(shí)驗(yàn);LightField Math，它允許將簡單和復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)或存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，同時(shí)還提供一個(gè)易于使用的編輯器來創(chuàng)建公式;輕松導(dǎo)出為許多文件格式，包括 TIFF、FITS、ASCII、AVI、IGOR 和 Origin;以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理操作，可實(shí)時(shí)評(píng)估傳入數(shù)據(jù)以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

多種應(yīng)用

BLAZE 相機(jī)非常適合各種光譜技術(shù)，包括拉曼光譜、光致發(fā)光、熒光、發(fā)射、吸收、微光譜(例如微拉曼和微光致發(fā)光)和高光譜成像。BLAZE 應(yīng)用可以涉及納米粒子、納米線、碳納米管、醫(yī)學(xué)/生物醫(yī)學(xué)樣品、半導(dǎo)體、藥品和許多其他材料。以下只是 BLAZE 平臺(tái)令人印象深刻的實(shí)用性的三個(gè)示例。

應(yīng)用示例 #1 – 生命科學(xué)/相干反斯托克斯拉曼散射

使用相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS) 和飛秒激光脈沖的非線性光譜是化學(xué)分析和生物成像的有力工具。多重 CARS 是一項(xiàng)重要技術(shù)，因?yàn)樗哂衺3000 cm ?1的超寬帶光譜覆蓋范圍。峰值強(qiáng)度和激光源重復(fù)率的優(yōu)化。

最近，日本筑波大學(xué)的 Hideaki Kano 教授報(bào)告稱，他們已在細(xì)胞周期的不同階段對(duì)活體 HeLa 細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了清晰的分子指紋識(shí)別(見圖 12)。Kano 博士及其同事利用 BLAZE 相機(jī)平臺(tái)的改進(jìn)靈敏度和光譜速率，結(jié)合高通量 Teledyne Princeton Instruments LS-785 光譜儀。他們能夠顯著提高光譜質(zhì)量，同時(shí)以迄今為止超寬帶 CARS最快的采集速度之一采集數(shù)據(jù)。LightField 以超高的光譜速率可靠地存儲(chǔ)了長達(dá)一小時(shí)的采集中的所有原始數(shù)據(jù)。

圖 12：(a) (b) 中紅色 x 位置處聚苯乙烯珠粒的原始、強(qiáng)度未校正 CARS 光譜;有效曝光時(shí)間為 0.8 毫秒。(b) 苯環(huán)呼吸模式 (1003 cm-1) 下聚苯乙烯珠粒的 CARS 圖像，有效曝光時(shí)間為 0.8 毫秒。數(shù)據(jù)由 Hideaki Kano 教授(日本筑波大學(xué))提供。首次發(fā)表于 APL Photonics 3, 092408 (2018);在線查看：https://doi.org/10.1063/1.5027006。

應(yīng)用示例 #2 – (生物)拉曼光譜

拉曼光譜是一種有用的非侵入性技術(shù)，可用于癌癥檢測和其他臨床研究。BLAZE 相機(jī)出色的近紅外量子效率和快速光譜速率可實(shí)現(xiàn)更快的診斷和更低的檢測限(見圖 13)。為了最大限度地減少自發(fā)熒光的干擾和/或最大限度地增加對(duì)組織樣本的穿透深度，研究人員越來越關(guān)注近紅外光譜技術(shù)，因此對(duì)具有高 NIR 量子效率的低噪聲探測器的需求非常強(qiáng)烈。

圖 13：使用目前最先進(jìn)的深耗盡 CCD(藍(lán)線)和 BLAZE(橙線)以 785 nm 激發(fā)從皮膚樣本獲得的拉曼光譜。測量結(jié)果表明 BLAZE 相機(jī)在近紅外光譜區(qū)域的效率有所提高。數(shù)據(jù)由 Anita Mahadevan-Jansen 教授(美國范德堡大學(xué))提供。

應(yīng)用示例 #3 – 材料科學(xué)/納米技術(shù)/二維材料研究

石墨烯的發(fā)現(xiàn)開啟了二維材料研究領(lǐng)域，這是一類厚度僅為幾層(甚至一層)原子的材料。石墨烯、六方氮化硼和二維過渡金屬二硫?qū)倩?如 MoSe 2或 WSe 2)等材料可以組合在一起形成光電器件，并研究這些材料中的量子光學(xué)。在近紅外光譜區(qū)具有最高量子效率的探測器可通過測量這些器件的光致發(fā)光來促進(jìn)研究(見圖 14)。

圖 14：基于二維過渡金屬二硫?qū)倩锏牧孔赢愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的激子光致發(fā)光光譜。當(dāng)用激光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激子(結(jié)合的電子空穴對(duì))，可以通過光譜進(jìn)行研究。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，BLAZE HR-Sensor 產(chǎn)生的峰值強(qiáng)度比目前最先進(jìn)的深耗盡 CCD 高 4 到 5 倍，具體取決于 PL 發(fā)射波長。數(shù)據(jù)由 Hongkun Park 教授和 Philip Kim 教授(美國哈佛大學(xué))提供。

出色的實(shí)用性

BLAZE CCD 相機(jī)具有高近紅外靈敏度和快速光譜速率的突破性組合，可以獲取以前無法獲得或很難獲得的定量光譜數(shù)據(jù)。除了非常適合生命科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究人員之外，這些相機(jī)還適合設(shè)計(jì)交鑰匙系統(tǒng)的原始

設(shè)備制造商 (OEM)。BLAZE 相機(jī)與所有 Teledyne Princeton Instruments 光譜儀完全兼容，包括SpectraPro HRS 系列和屢獲殊榮的IsoPlane? 成像光譜儀(見圖 15)。功能強(qiáng)大的 64 位 LightField 軟件可作為選件提供。

圖 15：BLAZE 相機(jī)與 IsoPlane 成像光譜儀耦合。

審核編輯 黃宇