Учёные создали технологию, переводящую инфракрасное излучение в видимый диапазон

 Исследователи придумали, как обнаружить излучение в инфракрасном диапазоне. Для этого они предлагают преобразовать его в видимый свет, который легко обнаружить невооружённым глазом.

Unsplash

Благодаря этой технологии будет возможно видеть в инфракрасном диапазоне, как это делают тепловизоры.

Свет — это электромагнитная волна: в ней совершают колебания электромагнитные поля, распространяющиеся в пространстве. Энергия излучения (в том числе цвет) определяется частотой — числом колебаний электромагнитной волны в секунду. Наши глаза могут различать частоту от 400 до 750 триллионов колебаний в секунду (триллионов герц или терагерц — ТГц). Этот интервал частот определяет видимый спектр. Световые датчики в камерах мобильных телефонов могут обнаруживать частоты до 300 ТГц, а датчики, используемые для подключения к Интернету через оптическое волокно, чувствительны к частоте около 200 ТГц.

На более низких частотах энергии, переносимой светом, недостаточно для срабатывания фоторецепторов в наших глазах, как и во многих других датчиках. Это — проблема, учитывая, что в среднем и дальнем инфракрасном спектре лежит довольно много интересной информации. Например, тело с температурой 20°C излучает в инфракрасном диапазоне до 10 ТГц, и его можно «увидеть» с помощью тепловизора.

Кроме того, многие химические и биологические вещества имеют четкие полосы поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, что означает, что мы можем обнаружить их удалённо и неразрушающе с помощью инфракрасной спектроскопии.

Просто так инфракрасный свет не виден — для его различения приходится использовать специализированные детекторы, охлажденные до очень низких температур, что является дорогостоящим и энергоемким процессом.

Однако учёные нашли экстраординарное явление — они создали один слой молекул для поглощения среднего инфракрасного света. Вибрирующие молекулы могут отдавать свою энергию падающему излучению в видимом диапазоне, «преобразуя» его в излучение ближе к синему концу спектру. Такое излучение уже можно зафиксировать камерами.

Преобразование частоты — задача не из легких. Частота света является фундаментальной характеристикой, которую невозможно изменить простыми действиями наподобие отражения света — всё из-за закона сохранения энергии. В теории идея учёных работала, но исследователи столкнулись с проблемой — требовалось обеспечить достаточно быструю встречу вибрирующих молекул с видимым светом.

Они произвели небольшие улучшения — молекулы поместили между металлическими наноструктурами, которые подействовали как оптические антенны, концентрируя инфракрасный свет и излучение на молекулах. Другая группа учёных пошла ещё дальше и использовала лазерный луч более высокой частоты на тех же молекулах.

Возможная реализация технологии — такая линза из метаматериалов. NanoPhotonics Cambridge/Ermanno Miele, Jeremy Baumberg 

Процесс преобразования является когерентным — вся информация, присутствующая в исходном инфракрасном свете, точно переносится на вновь созданный видимый свет. Это позволяет проводить инфракрасную спектроскопию с высоким разрешением с помощью стандартных детекторов, таких как те, что используются в камерах мобильных телефонов.

Длина и ширина каждого устройства составляет несколько микрометров, что позволяет включать их в большие массивы пикселей. Наконец, метод достаточно универсален и может быть адаптирован к различным частотам, просто выбирая молекулы с различными колебательными модами.

Исследователи подчеркивают, что, несмотря на недоработанность технологии, существует множество способов оптимизировать работу таких недорогих молекулярных детекторов. Они помогут в самых разных областях науки и техники — от астрономических наблюдений галактических структур до гормонального анализа человека и ранней диагностики рака, а также определения загрязняющих веществ в смесях.

Материал подготовлен на основе исследований в журналах Science.