Neues Gerät nutzt 2D-Material zur Aufwärtskonvertierung von Infrarotlicht

Das menschliche Auge kann nur Licht bestimmter Frequenzen wahrnehmen (das sogenannte sichtbare Spektrum), deren niedrigstes Frequenzspektrum rotes Licht ist. Infrarotlicht, das wir nicht sehen können, hat eine noch niedrigere Frequenz als rotes Licht. Forscher am Indian Institute of Science (IISc) haben nun ein Gerät entwickelt, um die Frequenz von kurzem Infrarotlicht auf den sichtbaren Bereich zu erhöhen oder „hochzukonvertieren“.

Die Aufwärtskonvertierung von Licht hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der Verteidigung und der optischen Kommunikation. Als erstes verwendete das IISc-Team ein 2D-Material, um einen sogenannten nichtlinearen optischen Spiegelstapel zu entwerfen, der diese Aufwärtskonvertierung kombiniert mit der Fähigkeit zur Weitfeldabbildung ermöglicht. Der Stapel besteht aus mehrschichtigem Galliumdiselenid, das auf einer reflektierenden Goldoberfläche befestigt ist, mit einer dazwischen liegenden Siliziumdioxidschicht.

Bei der herkömmlichen Infrarotbildgebung werden exotische Halbleiter mit niedrigem Bandabstand oder Mikrobolometer-Arrays verwendet, die normalerweise Wärme- oder Absorptionssignaturen des untersuchten Objekts erfassen.

Infrarotbildgebung und -sensorik sind in vielen Bereichen nützlich, von der Astronomie bis zur Chemie. Wenn beispielsweise Infrarotlicht durch ein Gas geleitet wird, können Wissenschaftler anhand der Veränderungen des Lichts bestimmte Eigenschaften des Gases herausfinden. Mit sichtbarem Licht ist eine solche Sensorik nicht immer möglich.

Allerdings sind die bestehenden Infrarotsensoren sperrig und nicht sehr effizient. Außerdem unterliegen sie aufgrund ihrer Verwendung in der Verteidigung Exportbeschränkungen. Es besteht daher ein dringender Bedarf an der Entwicklung einheimischer und effizienter Geräte.

Bei der vom IISc-Team verwendeten Methode wird ein Infrarot-Eingangssignal zusammen mit einem Pumpstrahl auf den Spiegelstapel geleitet. Die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Materials, aus dem der Stapel besteht, führen zu einer Frequenzmischung, was zu einem Ausgangsstrahl mit erhöhter (aufwärtskonvertierter) Frequenz führt, bei dem die übrigen Eigenschaften jedoch intakt bleiben. Mit dieser Methode konnten sie Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1550 nm in sichtbares Licht von 622 nm aufwärtskonvertieren. Die Ausgangslichtwelle kann mit herkömmlichen Siliziumkameras erfasst werden.

„Dieser Prozess ist kohärent – ​​die Eigenschaften des Eingangsstrahls bleiben am Ausgang erhalten. Das heißt, wenn man der Eingangs-Infrarotfrequenz ein bestimmtes Muster einprägt, wird es automatisch auf die neue Ausgangsfrequenz übertragen“, erklärt Varun Raghunathan, außerordentlicher Professor am Department of Electrical Communication Engineering (ECE) und korrespondierender Autor der Studie, die in Laser & Photonik Bewertungen.

Der Vorteil der Verwendung von Galliumdiselenid, fügt er hinzu, sei dessen hohe optische Nichtlinearität, was bedeutet, dass sich ein einzelnes Photon aus Infrarotlicht und ein einzelnes Photon aus dem Pumpstrahl zu einem einzelnen Lichtphoton mit hochkonvertierter Frequenz verbinden könnten.

Dem Team gelang es, die Aufwärtskonvertierung sogar mit einer nur 45 nm dünnen Schicht Galliumselenid zu erreichen. Die geringe Größe macht das System kostengünstiger als herkömmliche Geräte, die zentimetergroße Kristalle verwenden. Außerdem erwies es sich als vergleichbar mit den modernsten Aufwärtskonvertierungs-Bildgebungssystemen.

Jyothsna K Manattayil, Doktorandin bei ECE und Erstautorin, erklärt, dass sie einen Partikelschwarmoptimierungsalgorithmus verwendet haben, um die Berechnung der richtigen Schichtdicke zu beschleunigen. Je nach Dicke variieren die Wellenlängen, die Galliumdiselenid durchdringen und hochkonvertiert werden können. Dies bedeutet, dass die Materialdicke je nach Anwendung angepasst werden muss.

„In unseren Experimenten haben wir Infrarotlicht von 1.550 nm und einen Pumpstrahl von 1.040 nm verwendet. Das heißt aber nicht, dass es bei anderen Wellenlängen nicht funktioniert“, sagt sie. „Wir haben festgestellt, dass die Leistung bei einem breiten Spektrum von Infrarotwellenlängen von 1.400 nm bis 1.700 nm nicht abnahm.“

In Zukunft wollen die Forscher ihre Arbeit auf die Hochkonvertierung von Licht längerer Wellenlängen ausweiten. Außerdem versuchen sie, die Effizienz des Geräts durch die Erforschung anderer Stapelgeometrien zu verbessern.

„Weltweit besteht großes Interesse an der Infrarotbildgebung ohne den Einsatz von Infrarotsensoren. Unsere Arbeit könnte für diese Anwendungen bahnbrechend sein“, sagt Raghunathan.