Infrapunakuvausta ilman apuenergiaa

Lähi-infrapunakuvaus (NIR) on ratkaiseva työkalu useilla tieteen ja teollisuuden aloilla ja esimerkiksi pimeänäössä.

Kaupalliset NIR-kuvantamisjärjestelmät ovat kaikki ulkoisella virtalähteellä varustettuja.

Aaltojen sekoittamiseen perustuva uudempi lähestymistapa voi toimia ilman ulkoista virtalähdettä, mutta vain suurilla syöttötehotiheyksillä.

Puolijohteissa tapahtuva fotonien ylöspäinkonversio on vaihtoehto, joka ei vaadi ulkoista tehonsyöttöä ja jolla voidaan ylöspäin muuntaa epäkoherenttia NIR-valoa. Tämä prosessi ei perustu tavanomaiseen epälineaariseen aaltojen sekoittumiseen, vaan siihen liittyy energian peräkkäinen siirto kahdesta matalaenergisestä fotonista kahteen matalaenergiseen tilaan ja sitten yhteen korkeaenergiseen tilaan, mikä johtaa korkeaenergisen fotonin emissioon.

Parhaiten vakiintuneita fotonien ylöspäinkonversiotekniikoita ovat tripletti-triplettiannihilaatio (TTA) sekä d- ja f-subkuorisiirtymät harvinaisten maametallien seostusaineissa kiinteissä aineissa.

TTA on erityisen houkutteleva epäkoherenttiin infrapunakuvantamiseen suhteellisen korkean hyötysuhteensa ansiosta matalan intensiteetin säteilyvoimakkuudella ja laajakaistaisen absorption ansiosta.

Wisconsin yliopiston vetämä tutkimus Mikhal Katsin johdolla on toteuttanut kokeellisesti integroidun ylösmuunnosjärjestelmän, joka pystyy ottamaan vastaan epäkoherenttia lähi-infrapunavaloa (NIR) jopa noin 10⁻⁶ W cm⁻² intensiteeteillä ja muuttamaan sen ylöspäin näkyväksi valoksi saavuttaen ihmissilmän herkkyyden mukaiset intensiteetit.

Aikaansaatu täysin passiivinen kuvantamisjärjestelmä ei vaadi syöttötehoa, ei sähköistä eikä optista pumppausta, ja se toimii epäkoherentilla NIR-tulon valolla 700–930 nm:n aallonpituusalueella.

Nämä suorituskykymittarit saavutetaan yhdistämällä tehokas tripletti-triplettiannihilaatio (TTA) -ylösmuunnosprosessi orgaanisessa massaheteroliitoksessa, nanofotoniset integraatiot, jotka parantavat absorptiota resonoivien lokalisoitujen pintaplasmonien avulla, ja näkyvän valon keräystehokkuuden parantaminen säteilevän dikroisen takaisinheijastimen avulla.

Näin suunniteltu ylösmuunnoselementti on sijoitettu kuvantamisjärjestelmään, joka johtaa suhteellisten tulokulmien säilymiseen tulevien ja ylöspäin muunnettujen säteiden välillä, mikä mahdollistaa korkean resoluution kuvantamisen, jota rajoittaa optiikka eikä ylöspäin muuntava elementti.

Näemme täysin passiivisen, tehokkaan ylöspäin suuntautuvan optiikan mahdollistavan sovelluksia pimeänäöstä tähtitieteelliseen havainnointiin ja NIR-tarkastuksiin teollisuus- ja maatalousympäristöissä.

Aiheesta aiemmin:

Infrapunasensoreista aiempaa herkempiä

Infrapunan kuvaustekniikkaa arkikäyttöön

Lähi-infrapunan aallot näkyviksi