Человеческий глаз может видеть свет только определенных частот (так называемый видимый спектр), самая низкая из которых — красный свет. Инфракрасный свет, который мы не видим, имеет еще более низкую частоту, чем красный. Исследователи из Индийского института науки (IISc) создали устройство для повышения частоты короткого инфракрасного света до видимого диапазона.
Преобразование света имеет множество применений, особенно в оборонной промышленности и оптических коммуникациях. Впервые команда IISc использовала двумерный материал для создания так называемого нелинейно-оптического зеркального стека для достижения такого преобразования в сочетании с возможностью получения изображений широкого поля. Стек состоит из многослойного селенида галлия, закрепленного на золотой отражающей поверхности, между которыми находится слой диоксида кремния.
В традиционной инфракрасной визуализации используются экзотические полупроводники с низким энергетическим диапазоном или массивы микроболометров, которые обычно улавливают тепловые или абсорбционные сигнатуры от изучаемого объекта.
Инфракрасная визуализация и зондирование полезны в самых разных областях, от астрономии до химии. Например, когда инфракрасный свет проходит через газ, наблюдение за тем, как меняется свет, может помочь ученым определить специфические свойства газа. Подобное зондирование не всегда возможно при использовании видимого света.
Однако существующие инфракрасные датчики громоздки и не очень эффективны. Кроме того, они ограничены в экспорте, поскольку используются в оборонной промышленности. Поэтому существует острая необходимость в разработке собственных и эффективных устройств.
Метод, используемый командой IISc, предполагает подачу входного инфракрасного сигнала вместе с лучом накачки на стек зеркал. Нелинейно-оптические свойства материала, составляющего стек, приводят к смешиванию частот, в результате чего на выходе получается луч повышенной частоты, но с сохранением остальных свойств. Используя этот метод, они смогли преобразовать инфракрасный свет с длиной волны около 1550 нм в видимый свет с длиной волны 622 нм. Выходная световая волна может быть обнаружена с помощью традиционных камер на основе кремния.
«Этот процесс когерентен — свойства входного луча сохраняются на выходе. Это означает, что если запечатлеть определенный рисунок на входной инфракрасной частоте, он автоматически переносится на новую выходную частоту«, — объясняет Варун Рагхунатан, доцент кафедры электротехники связи (ECE) и соответствующий автор исследования, опубликованного в журнале .
Преимущество использования селенида галлия, добавляет она, заключается в его высокой оптической нелинейности, что означает, что один фотон инфракрасного излучения и один фотон луча накачки могут объединиться и дать один фотон света с повышенной частотой преобразования.
Команде удалось добиться преобразования даже с помощью тонкого слоя селенида галлия размером всего 45 нм. Небольшой размер делает его более экономичным по сравнению с традиционными устройствами, в которых используются кристаллы размером в сантиметр. Его производительность также оказалась сопоставимой с современными системами формирования изображений с преобразованием вверх.
Джиотсна Манаттаил (Jyothsna K Manattayil), аспирант кафедры ECE и первый автор работы, объясняет, что для ускорения расчета необходимой толщины слоев они использовали алгоритм оптимизации роя частиц. В зависимости от толщины длина волны, которая может пройти через селенид галлия и быть преобразована, будет разной. Это означает, что толщину материала необходимо регулировать в зависимости от области применения.
В дальнейшем исследователи планируют расширить свою работу, чтобы преобразовывать свет с большей длиной волны. Они также пытаются повысить эффективность устройства, исследуя другие геометрии стека.