LS&A: Кремниевые метаповерхности открыли доступ к инфракрасной визуализации

Инфракрасная визуализация помогает лучше понять мир: исследовать биологические образцы, изучать материалы и находить скрытые закономерности в физических системах.

Инфракрасное излучение может проникать сквозь туман и дым, поэтому оно полезно при поисково-спасательных, противопожарных и специальных операциях. Кроме того, инфракрасная съёмка позволяет видеть тепло, излучаемое объектами, что делает её полезной для ночного видения и обеспечения безопасности.

Инфракрасные камеры помогают лучше видеть, следить за качеством продуктов и растений, обеспечивать безопасность. Но у современных камер есть недостатки: они тяжёлые, потребляют много энергии, им нужны системы охлаждения.

Кроме того, нынешние полупроводниковые технологии захватывают только узкую полосу инфракрасного спектра. Поэтому для каждого случая нужна своя камера.

Из-за сложности и дороговизны технологии получения инфракрасных изображений, вряд ли у нас будет инфракрасная камера дома в ближайшее время.

Однако профессор Мохсен Рамхами, руководитель лаборатории передовой оптики и фотоники, предлагает решение — использовать массивы сконструированных кремниевых наночастиц, метаповерхности. Они могут преобразовывать инфракрасный свет в видимый с помощью процесса смешивания частот. Такие метаповерхности, интегрируемые в обычные камеры, представляют собой перспективное решение для инфракрасной визуализации.

Кремниевая промышленность производит компактные электронные чипы и схемы, которые отлично совмещаются с технологиями упаковки на основе комплементарного оксида металла (КМОП).

Кремниевая фотоника занимается волоконной оптикой, волноводами и телекоммуникационными устройствами. Относительно новая область применения — использование кремниевых наночастиц и метаповерхностей в нелинейном режиме. Это позволяет обеспечить беспрепятственную связь света между свободным пространством и интегральными схемами.

Команда учёных из разных стран под руководством Ноттингемского университета Трента разработала компактное и универсальное устройство для широкополосной инфракрасной визуализации на основе кремниевых метаповерхностей.

Ведущий автор работы Зе Чжэн, кандидат наук из Ноттингемского университета Трента, рассказал об инновационной организации кремниевой метаповерхности. Она представляет собой двухслойное устройство с кремниевыми наночастицами и тонкой кремниевой плёнкой.

Благодаря взаимодействию света и материи с обоими слоями возникает множество гибридных резонансов, усиливающих четырёхволновое смешивание в широком диапазоне длин волн. Это позволяет обнаруживать слабые инфракрасные сигналы.

Команда доказала концепцию, показав, что платформа формирования изображений на основе FWM может определять толщину образца, измеряя временные задержки смешанных инфракрасных лучей после прохождения через образец.

Эта технология также является поляризационно-селективной, позволяя обнаруживать материалы, чувствительные к поляризации, и повышая разрешение и чувствительность обнаружения поверхности.

Доцент Лей Сюй, один из руководителей проекта, рассказал, что съёмка в диапазоне 1000–4700 нм с помощью одного устройства открывает новые возможности для создания компактных и широкополосных инфракрасных камер. Это поможет устранить их недостатки: высокую стоимость, сложность и узкую полосу пропускания.

Это первый шаг к созданию более доступных и эффективных инфракрасных камер следующего поколения.

Результаты опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

16.10.2024