Человеческий глаз способен воспринимать свет только определённых частот (называемый видимым спектром), наименьшая из которых – красный свет. Инфракрасный свет, невидимый нам, имеет ещё более низкую частоту, чем красный. Учёные из Индийского института науки разработали устройство для повышения частоты коротковолнового инфракрасного света до диапазона видимых лучей.
Преобразование света широко применяется, особенно в оборонной промышленности и оптических коммуникациях. Ученые IISc впервые использовали двумерный материал для создания нелинейно-оптического зеркального стека, обеспечивающего преобразование света и возможность получения изображений широкого поля. Стек состоит из многослойного селенида галлия, закрепленного на золотой отражающей поверхности, между которыми находится слой диоксида кремния.
Традиционная инфракрасная визуализация основывается на использовании необычных полупроводников с малым энергетическим спектром или матриц микроболометров, предназначенных для регистрации тепловых или поглощательных признаков исследуемого предмета.
Инфракрасная визуализация и зондирование находят применение во многих областях, начиная от астрономии и заканчивая химией. Например, прохождение инфракрасного света через газ позволяет наблюдать за его изменениями. Это помогает учёным выявлять специфические свойства газа, что не всегда возможно при использовании видимого света.
Существующие инфракрасные датчики громоздки и малоэффективны. Их экспорт ограничен из-за использования в оборонной сфере, поэтому требуется создание собственных и действенных приборов.
Метод, разработанный командой IISc, заключается в подаче входного инфракрасного сигнала вместе с лучом накачки на стек зеркал. Нелинейно-оптические свойства материала стекла приводят к смешиванию частот, вследствие чего на выходе получается луч повышенной частоты, но сохраняющий остальные свойства. С помощью этого метода удалось преобразовать инфракрасный свет длиной волны около 1550 нм в видимый свет длиной волны 622 нм. Выходная световая волна может быть обнаружена с помощью традиционных камер на основе кремния.
«Этот процесс сохраняет свои характеристики — свойства волны на входе остаются на выходе. Если настроить рисунок на определенной инфракрасной частоте, он автоматически появится на новой частоте. — говорит Варун Рагхунатан, доцент кафедры электротехники связи (ECE) и автор исследования, опубликованного в журнале. .
По ее словам, преимущество селенида галлия состоит в высокой оптической нелинейности. Это означает, что один фотон инфракрасного излучения и один фотон луча накачки могут слиться, образуя один фотон света с более высокой частотой преобразования.
Успех команды достигнут с помощью тонкого слоя селенида галлия толщиной всего 45 нм. Малые размеры делают его более экономичным по сравнению с традиционными устройствами, где кристаллы достигают размера в сантиметр. Производительность оказалась сравнимой с современными системами формирования изображений с преобразованием вверх.
Джиотсна Манаттаил, аспирант кафедры ECE и первый автор работы, говорит о том, что для ускорения расчета нужной толщины слоев использовался алгоритм оптимизации роя частиц. Длина волны, проходящая через селенид галлия и преобразуемая, зависит от толщины слоя. Это означает, что толщину материала нужно регулировать в зависимости от сферы применения.
В будущем исследователи стремятся расширить свои работы, занимаясь преобразованием света с большей длиной волны.
Для повышения эффективности устройство изучат с применением других геометрических форм стека.