Un nouvel appareil utilise un matériau 2D pour convertir la lumière infrarouge

L’œil humain ne peut voir la lumière qu’à certaines fréquences (appelées spectre visible), dont la plus basse constitue la lumière rouge. La lumière infrarouge, que nous ne pouvons pas voir, a une fréquence encore plus basse que la lumière rouge. Des chercheurs de l'Institut indien des sciences (IISc) ont fabriqué un dispositif permettant d'augmenter ou de « convertir » la fréquence de la lumière infrarouge courte en gamme visible.

La conversion ascendante de la lumière a diverses applications, notamment dans les domaines de la défense et des communications optiques. Dans une première, l'équipe IISc a utilisé un matériau 2D pour concevoir ce qu'elle appelle un empilement de miroirs optiques non linéaires afin de réaliser cette conversion ascendante, combinée à une capacité d'imagerie grand champ. L'empilement est constitué de séléniure de gallium multicouche fixé au sommet d'une surface réfléchissante en or, avec une couche de dioxyde de silicium prise en sandwich entre les deux.

L’imagerie infrarouge traditionnelle utilise des semi-conducteurs exotiques à bande interdite de faible énergie ou des réseaux de microbolomètres, qui captent généralement les signatures de chaleur ou d’absorption de l’objet étudié.

L'imagerie et la détection infrarouges sont utiles dans divers domaines, de l'astronomie à la chimie. Par exemple, lorsque la lumière infrarouge traverse un gaz, la détection des changements de lumière peut aider les scientifiques à déterminer les propriétés spécifiques du gaz. Une telle détection n’est pas toujours possible en utilisant la lumière visible.

Cependant, les capteurs infrarouges existants sont encombrants et peu efficaces. Leur exportation est également limitée en raison de leur utilité dans le domaine de la défense. Il existe donc un besoin crucial de développer des dispositifs indigènes et efficaces.

La méthode utilisée par l’équipe IISc consiste à alimenter un signal infrarouge d’entrée ainsi qu’un faisceau de pompe sur la pile de miroirs. Les propriétés optiques non linéaires du matériau constituant l'empilement entraînent un mélange des fréquences, conduisant à un faisceau de sortie de fréquence augmentée (convertie), mais avec le reste des propriétés intactes. Grâce à cette méthode, ils ont pu convertir la lumière infrarouge d’une longueur d’onde d’environ 1 550 nm en lumière visible de 622 nm. L’onde lumineuse de sortie peut être détectée à l’aide de caméras traditionnelles à base de silicium.

“Ce processus est cohérent : les propriétés du faisceau d'entrée sont préservées à la sortie. Cela signifie que si l'on imprime un motif particulier dans la fréquence infrarouge d'entrée, il est automatiquement transféré vers la nouvelle fréquence de sortie”, explique Varun Raghunathan, professeur agrégé. au Département de génie des communications électriques (ECE) et auteur correspondant de l'étude publiée dans Avis sur les lasers et photoniques.

L'avantage de l'utilisation du séléniure de gallium, ajoute-t-il, est sa non-linéarité optique élevée, ce qui signifie qu'un seul photon de lumière infrarouge et un seul photon du faisceau de pompe pourraient se combiner pour donner un seul photon de lumière avec une fréquence convertie.

L’équipe a pu réaliser la conversion ascendante même avec une fine couche de séléniure de gallium mesurant seulement 45 nm. Sa petite taille le rend plus économique que les appareils traditionnels utilisant des cristaux de la taille d’un centimètre. Ses performances se sont également révélées comparables à celles des systèmes d’imagerie à conversion ascendante de pointe actuels.

Jyothsna K Manattayil, Ph.D. étudiant à l'ECE et premier auteur, explique qu'ils ont utilisé un algorithme d'optimisation d'essaim de particules pour accélérer le calcul de la bonne épaisseur de couches nécessaire. En fonction de l'épaisseur, les longueurs d'onde qui peuvent traverser le séléniure de gallium et être converties varient. Cela signifie que l'épaisseur du matériau doit être ajustée en fonction de l'application.

“Dans nos expériences, nous avons utilisé une lumière infrarouge de 1 550 nm et un faisceau de pompe de 1 040 nm. Mais cela ne veut pas dire que cela ne fonctionnera pas pour d'autres longueurs d'onde”, explique-t-elle. “Nous avons constaté que les performances ne diminuaient pas pour une large gamme de longueurs d'onde infrarouges, de 1 400 nm à 1 700 nm.”

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’étendre leurs travaux à la conversion ascendante de la lumière de longueurs d’onde plus longues. Ils tentent également d’améliorer l’efficacité du dispositif en explorant d’autres géométries de pile.

“Il existe un grand intérêt dans le monde entier pour l'imagerie infrarouge sans utiliser de capteurs infrarouges. Notre travail pourrait changer la donne pour ces applications”, déclare Raghunathan.