Nahinfrarot-Vision-Detektoren und -Kameras (NIR) spielen in den heutigen High-Tech-Werkzeugen für Bildgebungs-, Sensor- und Anzeigetechnologien eine wesentliche Rolle. NIR-Kameras auf Brillen- oder Fernglasbasis sind besonders wichtig für die Nachtsicht sowie für die medizinische und landwirtschaftliche Bildgebung. Bei herkömmlichen NIR-Kameras wird das NIR-Licht (700–2500 nm) über eine Fotokathode absorbiert, was zur Entladung von Elektronen führt, die daraufhin auf einen integrierten Flachbildschirm treffen, der mit dem Auge oder einem bildgebenden Sensor betrachtet wird.
Während sich solche Geräte in den oben genannten Anwendungen bewährt haben, sind sie sperrig, schwer, monochrom und auf bestimmte Wellenlängenbänder beschränkt. Letzteres stellt eine große technologische Einschränkung dar, da Photokathoden nur in einem der folgenden Bereiche funktionsfähig sind: 400–1000 nm, 1000–2500 nm oder >2500 nm. Allerdings haben Z. Zheng und Kollegen in dieser Arbeit einen dünnen Film demonstriert, der alle diese Frequenzbänder abdecken kann, ohne dass Licht in Elektronen umgewandelt werden muss und umgekehrt.
In dieser Arbeit haben Forscher das Konzept nichtlinearer Metaoberflächen verwendet. Metaoberflächen sind Anordnungen nanoskaliger Resonatoren, die Lichteigenschaften manipulieren können, einschließlich der Ausbreitungsrichtung, Intensität und Wellenlänge (/Farbe) des Lichts. Metaoberflächen, die die Wellenlänge von Licht umwandeln können, werden als nichtlineare Metaoberflächen bezeichnet. In dieser Arbeit wird eine nichtlineare Metaoberfläche genutzt, die aus einem dünnen Siliziumfilm besteht. Der Film beherbergt sorgfältig entworfene und hergestellte nanoskalige Löcher, also Membrangeometrien, die stark mit dem einfallenden Licht in Resonanz stehen. Nachdem die entworfene Metaoberfläche mit einem NIR-Licht beleuchtet wurde, erzeugt sie über einen nichtlinearen Prozess, die sogenannte dritte Harmonische Generation (THG), eine neue Farbe bei 1/3 der ursprünglichen Wellenlänge.
Durch die Kontrolle der Symmetrie der Anordnung von Nanolöchern haben die Forscher ein vielseitiges Werkzeug zur Abstimmung der Lichtwellenlängen und -intensitäten demonstriert, das letztendlich für die NIR-Bildgebung verwendet wird. Das Bild oben veranschaulicht das Konzept der NIR-Bildgebung für beliebige Objekte. Zur Demonstration passiert das NIR-Licht im Bereich der Telekommunikationswellenlänge (1512 nm) ein Sektorsternziel und wird über die Metaoberflächen in das sichtbare Signal (504 nm) umgewandelt. Die in 1(bii und cii) gezeigten Bilder werden auf der CCD-Kamera erzeugt.
Ein solcher innovativer Ansatz für die NIR-Bildgebung ist weitgehend auf große Frequenzbänder und Mehrfarbenprozesse erweiterbar. Erwähnenswert ist, dass das ausgebeutete Material, also Silizium, heute in großem Umfang in der CMOS-Industrie verwendet wird. Daher sind für die Massenproduktion von Silizium-Metaoberflächen keine hohen Investitionen erforderlich. Darüber hinaus absorbiert Silizium kein NIR-Licht bei Wellenlängen >1000 nm, sodass eine Erwärmung kein Problem darstellt. Nicht zuletzt ist Silizium ein zentrosymmetrisches Material. Daher können nichtlineare Silizium-Metaoberflächen für andere nichtlineare Wechselwirkungen dritter Ordnung über THG hinaus verwendet werden.
Durch die Verwendung eines Prozesses namens Vierwellenmischung können beispielsweise mehrere Wellenlängen im NIR- und sichtbaren Bereich einbezogen werden, wodurch farbenfrohe Bilder erzeugt werden können. Mit anderen Worten: Die in diesem Artikel vorgestellte Plattform ist ein Baustein für die nächste Generation dünner, kostengünstiger, breitbandiger und farbenfroher NIR-Kameras und -Detektoren.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Optoelektronische Fortschritte.
Mehr Informationen:
Ze Zheng et al., Erzeugung und Bildgebung der dritten Harmonischen mit resonanter Si-Membran-Metaoberfläche, Optoelektronische Fortschritte (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220174
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