Die Infrarot-Bildgebungstechnologie ist entscheidend für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses der Welt, von der Erforschung biologischer Proben über die Untersuchung komplexer Materialien bis hin zur Erkennung verborgener Muster in physikalischen Systemen.
Infrarotlicht kann Nebel und Rauch durchdringen und ist daher für Such- und Rettungseinsätze, die Brandbekämpfung und sensible Einsätze von unschätzbarem Wert. Darüber hinaus kann die Infrarotbildgebung die von Objekten abgegebene Wärme sichtbar machen, was sie zu einem leistungsstarken Werkzeug für Nachtsicht- und Sicherheitsanwendungen macht.
Während Infrarotkameras wertvolle Hilfsmittel für verbesserte Sicht, Lebensmittel- und Pflanzenqualitätskontrolle, Sicherheit usw. sind, weisen heutige Kameras häufig erhebliche Nachteile auf. Sie sind beispielsweise sperrig und stromhungrig und erfordern Kühlsysteme, die ihre Funktionalität einschränken.
Noch wichtiger ist, dass die aktuelle halbleiterbasierte Technologie, die in den Kameras verwendet wird, nur ein schmales Band des Infrarotspektrums erfasst, basierend auf dem Absorptionsband des Halbleiterdetektors. Das bedeutet, dass jede Anwendung eine separate Kamera benötigen würde.
„Aufgrund der Komplikationen der heutigen sperrigen, energiehungrigen und teuren Infrarot-Bildgebungstechnologie ist es unwahrscheinlich, dass wir zu Hause eine Infrarotkamera haben. Die nichtlineare Frequenzumwandlung, ein Prozess, der elektromagnetische Signale über verschiedene Frequenzbereiche hinweg manipuliert und übersetzt, birgt jedoch eine große Herausforderung „Es bietet enormes Potenzial, die Infrarot-Detektionstechnologie zu revolutionieren“, sagte Prof. Mohsen Ramhami, Leiter des Advanced Optics and Photonics Lab und britischer Research and Innovation Future Leaders Fellow.
„Wir haben gezeigt, dass Arrays aus künstlich hergestellten Silizium-Nanopartikeln, sogenannte Metaoberflächen, Infrarotlicht durch einen Frequenzmischungsprozess in sichtbares Licht umwandeln können. Solche Metaoberflächen, die in normale Kameras integrierbar sind, bieten eine vielversprechende Lösung für fortschrittliche Infrarotbildgebung.“
Die Siliziumindustrie, die für die Herstellung kompakter elektronischer Chips und Schaltkreise mit hervorragender Gleichmäßigkeit und Kompatibilität mit komplementären metalloxidempfindlichen (CMOS) Verpackungstechniken bekannt ist, ist heute eine etablierte Industrie. Die Siliziumphotonik ist eine Teilbranche, die sich hauptsächlich auf Glasfaser, Wellenleiter und Telekommunikationsgeräte konzentriert.
Anwendungen von Silizium-Nanopartikeln und Metaoberflächen sind jedoch relativ neuere Schwerpunkte, insbesondere im nichtlinearen Bereich, da sie eine nahtlose Lichtkopplung zwischen Freiraumumgebungen und integrierten Schaltkreisen ermöglichen.
In einem Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein internationales Team unter der Leitung der Nottingham Trent University eine weitere fortschrittliche Anwendung von Silizium-Metaoberflächen demonstriert: eine erschwingliche, kompakte und vielseitige Lösung zur Realisierung breitbandiger Infrarotbildgebung.
Der Hauptautor, Ze Zheng, Ph.D. Kandidat an der Nottingham Trent University, sagt: „Unsere Demonstration profitiert von einer innovativen und sorgfältigen Anordnung der Silizium-Metaoberfläche mit einem zweischichtigen Gerät mit Silizium-Nanopartikeln oben und einem dünnen Siliziumfilm darunter.“
„Durch die Nutzung der Licht-Materie-Wechselwirkung mit beiden Schichten und der Interferenz der in beiden Schichten erzeugten Resonanzen ist es uns gelungen, mehrere Hybridresonanzen zu induzieren, die die Vierwellenmischung (FWM) über einen breiten Wellenlängenbereich deutlich verbessert haben. Diese Verbesserung ermöglicht die Erkennung.“ schwacher Infrarotsignale dank der quadratischen Leistungsabhängigkeit der nichtlinearen Emission vom Pumpstrahl.
Als Machbarkeitsnachweis hat das Team gezeigt, dass eine solche FWM-basierte Bildgebungsplattform die Erkennung von Probendicken ermöglichen kann, indem die Zeitverzögerungen der gemischten Infrarotlichter nach dem Durchgang durch die Probe gemessen werden.
Darüber hinaus ist diese Technik polarisationsselektiv und bietet zusätzliche Funktionen, wie die Erkennung polarisationsempfindlicher Materialien und die Verbesserung der Auflösung und Empfindlichkeit für die Oberflächenerkennung.
Außerordentlicher Professor Lei
„Dies eröffnet eine neue Forschungs- und Entwicklungsrichtung, um die aktuellen Einschränkungen von Infrarotkameras wie hohe Kosten, Komplexität und geringe Bandbreite anzugehen. Dies ist der erste Schritt, um die nächste Generation von Infrarotkameras zugänglicher und effizienter zu machen.“
Weitere Informationen:
Ze Zheng et al., Breitband-Infrarotbildgebung, gesteuert durch Resonanz im geführten Modus in dielektrischen Metaoberflächen, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01535-w