Metasuperficies de silicio permiten obtener imágenes infrarrojas de amplio espectro

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La tecnología de imágenes infrarrojas es crucial para mejorar nuestra comprensión del mundo, desde la exploración de especímenes biológicos hasta la inspección de materiales complejos y la detección de patrones ocultos en sistemas físicos. La luz infrarroja puede penetrar la niebla y el humo, lo que la hace invaluable para búsqueda y rescate, extinción de incendios y operaciones sensibles. Además, las imágenes infrarrojas pueden permitir visualizar el calor emitido por los objetos, lo que las convierte en una herramienta poderosa para aplicaciones de visión nocturna y seguridad. Si bien las cámaras infrarrojas son herramientas valiosas para mejorar la visión, el control de calidad de alimentos y plantas, la seguridad, etc., las cámaras actuales a menudo enfrentan inconvenientes importantes. Por ejemplo, son voluminosas y consumen mucha energía, por lo que requieren sistemas de refrigeración que limitan sus funcionalidades. Más importante aún, la tecnología basada en semiconductores que se utiliza actualmente en las cámaras sólo captura una banda estrecha del espectro infrarrojo basada en la banda de absorción del detector de semiconductores. Esto significa que cada aplicación necesitará una cámara independiente.

El Telescopio Espacial James Webb de la NASA produjo la imagen infrarroja más profunda y nítida del universo distante hasta la fecha. Conocida como el Primer Campo Profundo de Webb, la imagen del cúmulo de galaxias SMACS 0723 tiene una invaluable profusión de detalles. Crédito de la imagen: NASA

La imagen previa no fue obtenida con la tecnología abordada en la publicación que compartimos aquí. Es sólo una muestra de la utilización de tecnología infrarroja, en este caso en el Telescopio James Webb.

“Debido a las complicaciones de la tecnología de imágenes infrarrojas actual, que es voluminosa, consume mucha energía y es cara, es poco probable que tengamos una cámara infrarroja en casa. Sin embargo, la conversión de frecuencia no lineal, un proceso que manipula y traduce señales electromagnéticas en varios regímenes de frecuencia, tiene un potencial enorme para revolucionar la tecnología de detección infrarroja. Hemos demostrado que unas matrices de nanopartículas de silicio diseñadas, llamadas metasuperficies, pueden convertir la luz infrarroja en luz visible mediante un proceso de mezcla de frecuencias. Estas metasuperficies, que se pueden integrar en cámaras convencionales, ofrecen una solución prometedora para la obtención avanzada de imágenes infrarrojas”, mencionó el profesor Mohsen Ramhami, director del Laboratorio de Óptica y Fotónica Avanzada y miembro del programa Future Leaders Fellow del Reino Unido para la Investigación y la Innovación.

Silicio
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La industria del silicio, conocida por producir chips y circuitos electrónicos compactos con una uniformidad excelente y por ser compatibles con técnicas de encapsulado sensibles al óxido metálico complementario (CMOS), es una industria establecida en la actualidad. La fotónica de silicio es una subindustria centrada principalmente en la fibra óptica, las guías de ondas y los dispositivos de telecomunicaciones. Sin embargo, las aplicaciones de las nanopartículas y las metasuperficies de silicio son áreas de interés relativamente nuevas, en particular en el régimen no lineal, que facilitan el acoplamiento perfecto de la luz entre los entornos de espacio libre y los circuitos integrados.

Imágenes no lineales de banda ancha obtenidas por la metasuperficie de silicio mediante procesos FWM. A, diagrama esquemático del proceso de imágenes no lineales de banda ancha: una imagen infrarroja con una cobertura de longitud de onda de banda ancha, denominada haz de señal, se mezcla con una luz infrarroja adicional conocida como haz de bombeo. Cuando ambos haces pasan a través de la metasuperficie diseñada, esta disposición inducida facilita la generación de una salida visible basa en procesos de mezcla de cuatro ondas (FWM). B, izquierda: diagrama esquemático de la metasuperficie bicapa de silicio. Derecha: imágenes de la metasuperficie tomadas por microscopía electrónica de barrido desde la parte superior. C, los espectros de emisión FWM medidos de la metasuperficie de silicio mientras se ajusta la longitud de onda de la señal al fijar la longitud de de onda de la bomba en 1130 nm. Los rangos de ajuste de la longitud de onda de la señal son de 2300 a 4700 nm. Crédito de la imagen: Ze Zheng, Daria Smirnova, Gabriel Sanderson, Cuifeng Ying, Demosthenes C. Koutsogeorgis, Lujun Huang, Zixi Liu, Rupert Oulton, Arman Yousefi, Andrey E. Miroshnichenko, Dragomir N. Neshev, Mary O’Neill, Mohsen Rahmani & Lei Xu.

En un nuevo artículo publicado en Light: Science & Applications, un equipo internacional dirigido por la Universidad de Nottingham Trent ha demostrado una aplicación más avanzada de las metasuperficies de silicio: una solución asequible, compacta y versátil para obtener imágenes infrarrojas de banda ancha.

El autor principal, Ze Zheng, candidato a doctorado en la Universidad de Nottingham Trent, afirmó: “Nuestra demostración se beneficia de una disposición innovadora y meticulosa de la metasuperficie de silicio que presenta un dispositivo de dos capas con nanopartículas de silicio en la parte superior y una película delgada de silicio debajo. Al emplear la interacción luz-materia con ambas capas y la interferencia de las resonancias generadas en ambas capas, logramos inducir múltiples resonancias híbridas, que mejoran significativamente la mezcla de cuatro ondas (FWM) en un amplio rango de longitudes de onda. Esta mejora permite la detección de señales infrarrojas débiles, gracias a la dependencia de potencia cuadrática de la emisión no lineal en el haz de bombeo”.

Termograma (imagen infrarroja) del perro Rusty, con escala de temperatura en grados Fahrenheit. Wikipedia añadió posteriormente una escala aproximada en grados Celsius. Crédito de la imagen: NASA/JPL

Como prueba de concepto, el equipo ha demostrado que una plataforma de imágenes basada en FWM puede permitir la detección de espesores de muestras midiendo los retrasos temporales de las luces infrarrojas mixtas después de atravesar la muestra. Además, esta técnica es selectiva en cuanto a polarización, lo que ofrece funciones adicionales, como la detección de materiales sensibles a la polarización y la mejora de la resolución y la sensibilidad para la detección de superficies.

El profesor asociado Lei Xu, codirector del proyecto, afirmó que “nuestras imágenes infrarrojas en el rango de 1000 a 4700 nm con un solo dispositivo demuestran nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos de banda ancha y compactos para imágenes infrarrojas. Esto abre una nueva dirección de investigación y desarrollo para abordar las limitaciones actuales de las cámaras infrarrojas, como el alto costo, la complejidad y el ancho de banda estrecho. Este es el primer paso para hacer que la próxima generación de cámaras infrarrojas sea más accesible y eficiente”.

El paper Broadband Infrared Imaging Governed by Guided-Mode Resonance in Dielectric Metasurfaces fue publicado en Light: Science & Applications