Les détecteurs de vision et les caméras dans le proche infrarouge (NIR) jouent un rôle essentiel dans les outils de haute technologie d’aujourd’hui pour les technologies d’imagerie, de détection et d’affichage. Les caméras NIR basées sur des lunettes ou des jumelles sont particulièrement importantes pour la vision nocturne, ainsi que pour l’imagerie médicale et agricole. Dans les caméras NIR conventionnelles, la lumière NIR (700-2500 nm) est absorbée via une photocathode, entraînant la décharge d’électrons, qui frappent par conséquent un écran plat intégré, vu par l’œil ou par un capteur d’imagerie.
Si de tels dispositifs ont fait leurs preuves dans les applications précitées, ils sont encombrants, lourds, monochromes et limités à certaines bandes de longueurs d’onde. Cette dernière est une limitation technologique majeure car les photocathodes ne sont fonctionnelles que dans l’une des plages suivantes : 400–1000 nm, 1000–2500 nm ou >2500 nm. Cependant, Z. Zheng et ses collègues, dans cet article, ont démontré un film mince capable de couvrir toutes ces bandes de fréquences sans avoir besoin de convertir la lumière en électrons et vice-versa.
Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé le concept de métasurfaces non linéaires. Les métasurfaces sont des réseaux de résonateurs à l’échelle nanométrique qui peuvent manipuler les propriétés de la lumière, y compris la direction de propagation de la lumière, l’intensité et la longueur d’onde (/couleur). Les métasurfaces, capables de convertir la longueur d’onde de la lumière, sont appelées métasurfaces non linéaires. Dans cet article, une métasurface non linéaire composée d’un film mince de silicium est exploitée. Le film contient des trous à l’échelle nanométrique soigneusement conçus et fabriqués, c’est-à-dire une géométrie de membrane, qui résonnent fortement avec la lumière entrante. Après avoir éclairé la métasurface conçue avec une lumière NIR, elle génère une nouvelle couleur à 1/3 de la longueur d’onde d’origine via un processus non linéaire, appelé génération de troisième harmonique (THG).
En contrôlant la symétrie du réseau de nano-trous, les chercheurs ont démontré un outil polyvalent pour régler les longueurs d’onde et les intensités lumineuses, qui est finalement utilisé pour l’imagerie NIR. L’image ci-dessus illustre le concept d’imagerie NIR pour des objets arbitraires. À titre de démonstration, la lumière NIR autour de la longueur d’onde de télécommunication (1512 nm) traverse une cible en étoile de secteur et est convertie en signal visible (504 nm) via les métasurfaces. Les images présentées en 1(bii et cii) sont formées sur la caméra CCD.
Une telle approche innovante pour l’imagerie NIR est largement extensible à de larges bandes de fréquences et à des processus multicolores. Il convient de noter que le matériau exploité, à savoir le silicium, est aujourd’hui largement utilisé dans l’industrie CMOS. Par conséquent, la production de masse de métasurfaces de silicium ne nécessite pas d’investissements lourds. De plus, le silicium n’absorbe pas la lumière NIR dans les longueurs d’onde> 1000 nm, donc le chauffage n’est pas un problème. Enfin, le silicium est un matériau centrosymétrique. Par conséquent, les métasurfaces de silicium non linéaires peuvent être utilisées pour d’autres interactions non linéaires de troisième ordre au-delà du THG.
Par exemple, en utilisant un processus appelé mélange à quatre ondes, on peut impliquer plusieurs longueurs d’onde dans les gammes NIR et visible, permettant la génération d’images colorées. En d’autres termes, la plate-forme présentée dans cet article est un élément constitutif de la prochaine génération de caméras et de détecteurs NIR fins, peu coûteux, à large bande et colorés.
Le travail est publié dans la revue Avancées optoélectroniques.
Plus d’information:
Ze Zheng et al, génération et imagerie de troisième harmonique avec métasurface de membrane Si résonnante, Avancées optoélectroniques (2023). DOI : 10.29026/oea.2023.220174
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