Увидеть инфракрасное излучение невооружённым взглядом помогут молекулярные датчики

Инфракрасное излучение несёт богатую информацию о мире и об объектах в нём, но глаз человека и обычные датчики изображения воспринять её не могут. Тепловизоры способны работать в этом диапазоне, но это сложные, громоздкие и дорогие устройства. Исследователи давно бьются над задачей создать компактные датчики инфракрасного зрения, и новое исследование международной группы учёных готово предложить интересное решение.

Источник изображения: Nicolas Antille, Wen Chen, Christophe Galland

Глаз и обычные датчики изображения в среднем чувствительны к диапазону частот от 400 до 750 ТГц. Частота излучения нагретого до 20 °C тела, например, излучает с частотой около 10 ТГц. Казалось бы, достаточно создать устройства с повышением частоты падающего инфракрасного излучения до частот видимого диапазона, и проблема решена. Но не тут-то было!

Частота электромагнитного излучения и, как частного случая, инфракрасного и видимого света — это фундаментальная характеристика, изменить которую простыми средствами мешает закон сохранения энергии. Просто отразив или пропустив излучение через что-то, частоту повысить нельзя. Необходимо накачать излучение энергией из внешнего источника. Чтобы изображение сохранило информацию и стало видимым, накачивать энергией необходимо каждый пиксель преобразователя и делать это согласованно по всему полю захвата изображения.

Международная группа учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL, Швейцария), Уханьского технологического института, Политехнического университета Валенсии и исследовательского центра AMOLF (Нидерланды) предложила молекулярную микроструктуру для прямого преобразования инфракрасного излучения в видимое. В этой микроструктуре падающее инфракрасное излучение возбуждает колебание молекул. Одновременно на те же молекулы подаётся лазерный луч более высокой частоты, который доставляет в систему колебаний дополнительную энергию и повышает частоту колебаний молекул до частоты видимого спектра, который фиксируется обыкновенными датчиками изображений.

Учёные заявляют, что процессы накачки и преобразования происходят согласованно по всей площади датчика изображения, что позволяет наблюдать картину без искажений при преобразовании. Для усиления процесса фокусировки падающего на молекулы излучения учёные придумали систему канавок и наноразмерных частиц из золота. Такие микроструктуры можно представить как пиксели на датчике изображения и получить в итоге датчики для прямого преобразования инфракрасного света в видимый свет.

Изобретение найдёт применение не только в компактных тепловизорах. От таких датчиков можно ожидать практической спектроскопии. К примеру, спектрометрами можно вооружить смартфоны и с их помощью определять качество продуктов, свойства биоматериалов или химические составы веществ. Добавим, статья об исследовании опубликована в журнале Science.