近红外光谱新篇章

概述

BLAZE® 科学 CCD 相机的突破性技术大幅增强近红外量子效率，实现卓越、定量的光谱测量

概述

配备两款革命性背照深耗尽传感器，Teledyne Princeton Instruments BLAZE 光谱相机提供 CCD 平台中最高的近红外量子效率、最快的光谱速率和最深的热电冷却。更低的热致暗噪声，结合低读出噪声电子学，提高信噪比并进一步改善灵敏度。

BLAZE 相机应用包括纳米技术、二维材料、碳材料、生物传感及生命科学。这些下一代相机为使用拉曼、光致发光和荧光光谱学以及显微光谱学和泵浦-探测光谱学等测量技术的科学家提供最高性能。

引言

基于各种背照 CCD 架构的探测系统为大多数光谱应用所青睐，因为这种可靠的传感器技术能够在整个 UV-VIS-NIR 波长范围——从不足 200 nm 到 1.1 µm——提供最高可用量子效率。

标准背照传感器通过化学蚀刻和抛光将硅晶圆减薄至仅 13 µm 厚度制造。从传感器背面照明时，近 100% 的入射光可被检测，因为光直接照射外延硅层，无需穿过器件正面的多晶硅栅极。

背照深耗尽 CCD 使用更厚的硅耗尽区（约 40 µm）以补偿较长波长所需的较长吸收长度。在 NIR 中，量子效率随耗尽区厚度增加而提高。因此，与标准背照对应产品相比，背照深耗尽 CCD 在 NIR 具有更高效率。

然而需注意，所有硅基 CCD 本质上无法检测长于 1.1 µm 的波长。Teledyne Princeton Instruments 还提供线阵或二维阵列格式的 InGaAs 探测器。这些器件在约 850 nm 至 1.7 µm（扩展范围器件为 2.2 µm）波长范围感光，但应认识到 InGaAs 作为 III-V 化合物半导体暗电流高于硅，此类系统通常依赖液氮冷却以改善信噪比。

在 BLAZE 推出之前，800 nm 至 1.0 µm 波长范围——俗称"死亡之谷"——严重限制光谱学家，无论他们选择何种 CCD、InGaAs、CMOS、PMT 或固态单点探测器。BLAZE 相机通过在该特殊波段提供更高量子效率解决了这一长期问题（见图 1）。

New Proprietary Sensor Technology

BLAZE 光谱相机基于革命性的新型背照深耗尽 CCD 传感器。除在 800 nm 至 1100 nm 之间提供比之前最佳探测器高 3 至 7 倍灵敏度外，BLAZE 传感器在 900 nm 处提供 95% 峰值量子效率（见图 2）。新传感器提供 1340×100 或 1340×400 阵列格式，20 µm 像素。

专有 BLAZE HR-Sensor（见图 3）是由高阻体块硅制造的"超深耗尽"CCD，以提供任何硅器件中最高的近红外量子效率。每个 HR-Sensor 的硅耗尽区几乎比传统深耗尽（NIR 敏感）CCD 厚 4 倍，在 1 µm 处量子效率可比最佳其他深耗尽传感器高多达 7 倍。

HR-Sensor 的空间分辨率通过施加偏置电压优化，产生"完全耗尽"硅区且无电荷扩散。偏置电压产生将电荷推向正确像素且不允许电荷迁移到相邻像素的电场。

专有 BLAZE LD-Sensor 是背照深耗尽器件，设计用于高灵敏度和极低暗电流（见图 4）。这些器件以反转模式运行，对成像相施加负电压并将各相驱动至反转。由此产生的负电荷吸引空穴填充表面态，抑制态中暗电流产生。反转模式与深热电冷却结合将暗电流降至 0.0005 e-/pix/sec（典型），使 LD-Sensor 非常适合需要长积分时间的实验。

A New Dawn for NIR Spectroscopy 配图 2 — 图 1 · 图示为 +25°C 下测量的典型 QE 数据。两款专有新传感器 HR Sensor 和 LD-Sensor 为 BLAZE 用户提供无与伦比的光谱性能。注意 BI-Sensor 为标准背照（非深耗尽）CCD，Unichrome 为 Teledyne Princeton Instruments 提供的 UV 增强镀膜。

A New Dawn for NIR Spectroscopy 配图 3 — 图 2 · 背照"超深耗尽"HR-Sensor 旨在为任何光谱 CCD 提供最高的近红外量子效率。

A New Dawn for NIR Spectroscopy 配图 4 — 图 3 · 专有 BLAZE LD-Sensor 以反转模式运行以实现极低暗电流，非常适合弱光光谱应用。

Demonstrably Better Performance

为展示 BLAZE HR-Sensor 的性能，我们设计了三项实验，测量该器件相比当前最先进检测的灵敏度提升。

我们在相同条件下（即相同光谱仪、光栅和光源）用热电冷却 BLAZE HR-Sensor 和 LN 冷却 InGaAs 阵列采集 880 nm 至 1.0 µm 的原子灯发射。图 5 显示光谱，使用 BLAZE HR-Sensor 实现的信噪比显著更高。

第二项实验中，我们在与第一项相同波长范围测量吲哚菁绿（IcG）的光致发光。图 6 显示第二项实验的装置。通过透镜将激发光源输出聚焦到含 IcG 样品的比色皿，以与激发光束成 90° 取向的另一透镜收集并准直光致发光（PL）发射。准直光束经滤光片后聚焦到配备一对探测器的光谱仪入射狭缝：(1) 配置 HR-Sensor 的热电冷却 BLAZE 相机和 (2) LN 冷却线性 InGaAs 阵列。可移动光束分路镜使色散 PL 发射可导向任一探测器。

Teledyne Princeton Instruments LightField® 软件用于控制系统运行及数据采集。使用两台相机采集 PL 光谱，可调整积分时间以获得相同相对强度。HR-Sensor 积分时间 15 秒，InGaAs 阵列 100 秒。为消除对光谱数据的不必要仪器影响，使用 Teledyne Princeton Instruments IntelliCal® 校准系统和 NIST 可溯源石英钨卤（QTH）灯进行强度校准。

Comparison of atomic emission lamp spectra collected with a thermoelectrically cooled BLAZE HR-Sensor (blue) and an LN-c — 图 1 · 使用热电冷却 BLAZE HR-Sensor（蓝色）和 LN 冷却 InGaAs 阵列（橙色）采集的原子发射灯光谱对比，采用 Teledyne Princeton Instruments SpectraPro® HRS-300 光谱仪，1000 nm blaze 处 600 g/mm 光栅。

The"IcG photoluminescence" experimental setup utilized to compare atomic emission lamp spectra acquired with a thermoele — 图 2 · 用于比较热电冷却 BLAZE HR-Sensor 和 LN 冷却线性 InGaAs 阵列采集原子发射灯光谱的"IcG 光致发光"实验装置。

shows good correlation between the spectra produced by each of the cameras. However, the HR-Sensor was able to provide ~ — 图 3 · 显示两台相机产生的光谱之间良好相关性。然而 HR-Sensor 可提供约 6.6 倍更高灵敏度，同时产生背景噪声显著更低的光谱。因此新 BLAZE 相机将使研究人员能够检测 IcG 极低浓度并在组织内进行更复杂的功能光谱学。

Normalized PL spectrum of an IcG aggregate acquired using a thermoelectrically cooled BLAZE camera configured with an HR — 图 4 · 使用配置 HR-Sensor 的热电冷却 BLAZE 相机（-75°C）和 LN 冷却线性 InGaAs 阵列（-100°C）采集的 IcG 聚集体归一化 PL 光谱。HR-Sensor 和 InGaAs 阵列积分时间分别为 15 和 100 秒。实验采用 Teledyne Princeton Instruments SpectraPro HRS-300 光谱仪，1000 nm blaze 处 600 g/mm 光栅。数据由麻省理工学院 Bawendi 小组提供。

Figure 8 shows the Raman spectrum of cyclohexane (from ~150 to 3000 cm-1) acquired with the BLAZE HR-Sensor. A 500 mW, 7 — 图 5 · 图 8 显示用 BLAZE HR-Sensor 采集的环己烷拉曼光谱（约 150 至 3000 cm⁻¹）。500 mW、785 nm 激光用于在环己烷样品内产生拉曼散射。透镜收集并准直拉曼散射，经瑞利滤光片抑制激光辐射。光谱仪将拉曼散射色散到 HR-Sensor 进行检测和分析。HR-Sensor 的卓越量子效率使拉曼信号快速检测至 3000 cm⁻¹（1026 nm）。

Cyclohexane Raman spectrum (from 150 to 3000 cm-1) obtained with 785 nm laser excitation, a BLAZE camera configured with — 图 6 · 785 nm 激光激发、配置 HR-Sensor 热电冷却至 -95°C 的 BLAZE 相机及 SpectraPro HRS-300 光谱仪（500 nm blaze 处 300 g/mm 光栅）获得的环己烷拉曼光谱（150 至 3000 cm⁻¹）。

Speed That Meets All Needs

新 BLAZE 平台采用 CCD 相机中最快的 ADC 速度（见图 9）。LD 相机型号可运行双 10 MHz 读出端口，HR 相机具有双 16 MHz 读出端口。这实现全垂直 binning 下超过 1600 光谱/秒的空前光谱速率，动力学模式下高达 215 kHz——对相干反斯托克斯拉曼光谱学（CARS）、针尖增强拉曼光谱学（TERS）和生物体内拉曼光谱学等时间分辨研究与超快激光同步至关重要。

BLAZE 传感器的独特设计还使相机可利用 Teledyne Princeton Instruments 独有的 SeNsR 功能：片上双向时钟和信号累积。借助 SeNsR，电荷（即信号）可在 CCD 上移位而无需读出数据。这一创新使 BLAZE 相机在泵浦-探测实验中能以半锁相模式运行，提高信噪比并改善弱光检测。

BLAZE HR and LD camera models deliver speed that is unmatched by other CCD cameras used for spectroscopy. — 图 1 · BLAZE HR 和 LD 相机型号提供其他用于光谱的 CCD 相机无法匹敌的速度。

Deep Thermoelectric Cooling

所有 BLAZE 相机采用 Teledyne Princeton Instruments 专有 ArcTec™ 技术，深度热电冷却可在空气中运行至 -95°C（见图 10），无需冷水机或液体辅助，实现低暗电流性能。

ArcTec 使用定制 Peltier 器件、先进多级热电冷却和永久全金属超高真空密封，为光谱 CCD 实现前所未有的冷却性能。系统可靠性由终身真空保证支持。借助 ArcTec，BLAZE 相机甚至可通过利用近室温（即 +20°C）液体辅助提供无冷凝的真正 -100°C 冷却。

应注意，当制造商声称 -100°C 运行时通常需要使用 +10°C 冷却液体，这会在相机内部形成有害冷凝的真实可能，最终可能损害传感器冷却能力。

BLAZE 相机达到的更低 CCD 温度导致更低暗电流，允许更长曝光时间和卓越的弱光检测能力。

BLAZE cameras use ArcTec technology to achieve -95°C cooling in air, without chillers or liquid assist. No competiti — 图 1 · BLAZE 相机使用 ArcTec 技术在空气中实现 -95°C 冷却，无需冷水机或液体辅助。无竞争相机可匹配此性能。

Smart Spectroscopy Software

BLAZE 与 LightField 软件的无缝集成（见图 11）允许完整系统控制、数据采集和光谱数据处理。这一强大的 64 位软件包运行于 Microsoft® Windows® 10，并集成 LabVIEW®（National Instruments）和 MATLAB®（MathWorks）支持。对于多用户设施，LightField 可记住每位用户的实验配置。

LightField 的主要功能包括：通过自动保存到磁盘、时间戳以及保留原始和校正数据确保数据完整性；集成用于锁相和泵浦-探测实验的新 SeNsR 技术；LightField Math 允许对实时或存储数据应用简单和复杂数学函数，并提供易用编辑器创建公式；轻松导出为多种文件格式，包括 TIFF、FITS、ASCII、AVI、IGOR 和 Origin；实时数据处理操作提供对传入数据的实时评估以优化实验参数。

LightField software provides complete control of all Teledyne Princeton Instruments cameras and spectrometers. — 图 1 · LightField 软件提供对所有 Teledyne Princeton Instruments 相机和光谱仪的完整控制。

Myriad Applications

BLAZE 相机非常适合多种光谱技术，包括拉曼光谱学、光致发光、荧光、发射、吸收、显微光谱学（如显微拉曼和显微光致发光）及高光谱成像。BLAZE 应用可涉及纳米颗粒、纳米线、碳纳米管、医学/生物医学样品、半导体、药物及许多其他材料。以下仅为 BLAZE 平台令人印象深刻实用性的三个示例。

使用相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）和飞秒激光脉冲的非线性光谱学是化学分析和生物成像的有力工具。多重 CARS 因其约 3000 cm⁻¹ 的超宽带光谱覆盖而是重要技术。激光源的峰值强度和重复率优化被认为是多重 CARS 的关键因素。

最近，日本筑波大学的 Hideaki Kano 教授报告，对细胞周期不同阶段活 HeLa 细胞实现了清晰分子指纹（见图 12）。Kano 博士及其同事利用 BLAZE 相机平台改进的灵敏度和光谱速率，结合高通量 Teledyne Princeton Instruments LS-785 光谱仪。他们能够在迄今超宽带 CARS 最快采集速度之一显著提高光谱质量。LightField 在超高光谱速率下可靠存储数小时采集的所有原始数据。

拉曼光谱学是癌症检测及其他临床研究的有用无创技术。BLAZE 相机卓越的近红外量子效率和快速光谱速率允许更快诊断和更低检测限（见图 13）。为最小化自发荧光干扰和/或最大化组织样品穿透深度，研究人员日益关注近红外光谱技术，因此对高 NIR 量子效率的低噪声探测器需求强烈。

石墨烯的发现开启了二维材料研究领域，这类材料厚度仅几层（甚至单层）原子。石墨烯、六方氮化硼和二维过渡金属二硫化物（如 MoSe2 或 WSe2）等材料可组合形成光电器件并研究这些材料中的量子光学。NIR 光谱区域最高量子效率的探测器通过测量这些器件的光致发光促进研究（见图 14）。

(a) Raw, intensity-uncorrected CARS spectrum of polystyrene beads at the position of the red x in (b); the effective exp — 图 1 · (a) (b) 中红色 x 位置聚苯乙烯微珠的原始、强度未校正 CARS 光谱；有效曝光时间 0.8 毫秒。(b) 苯环呼吸模式（1003 cm⁻¹）处聚苯乙烯微珠 CARS 图像，有效曝光时间 0.8 毫秒。数据由 Hideaki Kano 教授（日本筑波大学）提供。首次发表于 APL Photonics 3, 092408 (2018)；在线查看：https://doi.org/10.1063/1.5027006 。

Raman spectra obtained from skin samples using 785 nm excitation with a current state-of-the-art, deep-depleted CCD (blu — 图 2 · 使用 785 nm 激发从皮肤样品获得的拉曼光谱，采用当前最先进的深耗尽 CCD（蓝线）和 BLAZE（橙线）。测量说明了 BLAZE 相机在近红外光谱区域的效率提升。数据由 Anita Mahadevan-Jansen 教授（美国 Vanderbilt 大学）提供。

Exciton photoluminescence spectra of quantum heterostructures based on two-dimensional transition metal dichalcogenides. — 图 3 · 基于二维过渡金属二硫化物的量子异质结构激子光致发光光谱。激光照射时产生激子（束缚电子-空穴对），可光谱学研究。本实验中，BLAZE HR-Sensor 产生的峰强度比当前最先进深耗尽 CCD 高 4–5 倍，取决于 PL 发射波长。数据由 Hongkun Park 教授和 Philip Kim 教授（美国 Harvard University）提供。

Outstanding Utility

BLAZE CCD 相机提供的高近红外灵敏度和快速光谱速率的突破性组合，允许采集以前无法获得或极难获得的定量光谱数据。除适合生命科学和材料科学研究人员外，这些相机也适合设计交钥匙系统的原始设备制造商（OEM）。

BLAZE 相机与所有 Teledyne Princeton Instruments 光谱仪完全兼容，包括 SpectraPro HRS 系列和获奖的 IsoPlane® 成像光谱仪（见图 15）。强大的 64 位 LightField 软件可作为选项提供。

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A BLAZE camera coupled to an IsoPlane imaging spectrograph. — 图 1 · BLAZE 相机耦合到 IsoPlane 成像光谱仪。