Agencias, Ciudad de México.- Investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) han fabricado un dispositivo para aumentar la frecuencia de la luz infrarroja de onda corta al rango visible.
El ojo humano sólo puede ver la luz en determinadas frecuencias (denominadas espectro visible), la más baja de las cuales constituye la luz roja. La luz infrarroja, que no podemos ver, tiene una frecuencia aún más baja que la luz roja.
La conversión ascendente de la luz tiene diversas aplicaciones, especialmente en defensa y comunicaciones ópticas. Por primera vez, el equipo del IISc utilizó un material 2D para diseñar lo que ellos llaman una pila de espejos ópticos no lineales para lograr esta conversión ascendente, combinada con la capacidad de imágenes de campo amplio. La pila consiste en seleniuro de galio multicapa fijado a la parte superior de una superficie reflectante de oro, con una capa de dióxido de silicio intercalada entre ellas.
La imagen infrarroja tradicional utiliza semiconductores exóticos de banda prohibida de baja energía o conjuntos de microbolómetros, que generalmente recogen firmas de calor o absorción del objeto que se está estudiando.
La imagen y detección infrarrojas son útiles en diversas áreas, desde la astronomía hasta la química. Por ejemplo, cuando la luz infrarroja pasa a través de un gas, detectar cómo cambia la luz puede ayudar a los científicos a descubrir propiedades específicas del gas. Esta detección no siempre es posible utilizando luz visible.
Sin embargo, los sensores infrarrojos existentes son voluminosos y no muy eficientes. Además, su exportación está restringida debido a su utilidad en defensa.
El método utilizado por el equipo del IISc consiste en introducir una señal infrarroja de entrada junto con un haz de bombeo en la pila de espejos. Las propiedades ópticas no lineales del material que constituye la pila dan como resultado una mezcla de las frecuencias, lo que genera un haz de salida de frecuencia aumentada (convertida hacia arriba), pero con el resto de las propiedades intactas. Utilizando este método, pudieron convertir hacia arriba la luz infrarroja de longitud de onda de alrededor de 1550 nm a 622 nm de luz visible. La onda de luz de salida se puede detectar utilizando cámaras tradicionales basadas en silicio.
Para miniaturizar el dispositivo de obtención de imágenes por conversión ascendente y eliminar los estrictos requisitos de coincidencia de fase, se están explorando metasuperficies ópticas de tamaño sublongitud de onda como el medio óptico no lineal que soporta resonancias en el infrarrojo cercano, aunque es propenso a la difracción de orden superior en las longitudes de onda convertidas ascendentemente. Aquí, se demuestra un nuevo dispositivo de obtención de imágenes por conversión ascendente de campo amplio basado en un espejo óptico no lineal (NLOM) basado en material en capas bidimensional (2D) con una capa de seleniuro de galio (GaSe) de solo 45 nm de espesor sobre un reflector de oro con un espaciador dieléctrico adecuado.
“Este proceso es coherente: las propiedades del haz de entrada se conservan en la salida. Esto significa que si se imprime un patrón particular en la frecuencia infrarroja de entrada, se transfiere automáticamente a la nueva frecuencia de salida”, explica en un comunicado Varun Raghunathan, profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Comunicaciones Eléctricas (ECE) y autor correspondiente del estudio, publicado en Laser & Photonics Reviews.
La ventaja de utilizar seleniuro de galio, añade, es su alta no linealidad óptica, lo que significa que un único fotón de luz infrarroja y un único fotón del haz de bombeo podrían combinarse para dar un único fotón de luz con frecuencia convertida ascendentemente.
El equipo pudo lograr la conversión ascendente incluso con una fina capa de seleniuro de galio que mide solo 45 nm. El pequeño tamaño lo hace más rentable que los dispositivos tradicionales que utilizan cristales de tamaño centimétrico. También se descubrió que su rendimiento era comparable al de los sistemas de imágenes de conversión ascendente de última generación actuales.
Jyothsna K Manattayil, estudiante de ECE y primera autora, explica que utilizaron un algoritmo de optimización de enjambre de partículas para acelerar el cálculo del espesor correcto de las capas necesarias. Según el espesor, las longitudes de onda que pueden atravesar el seleniuro de galio y convertirse en capas más gruesas variarán. Esto significa que el espesor del material debe ajustarse según la aplicación.
“En nuestros experimentos, hemos utilizado luz infrarroja de 1,550 nm y un haz de bombeo de 1,040 nm. Pero eso no significa que no funcione para otras longitudes de onda”, dice. “Vimos que el rendimiento no disminuyó para una amplia gama de longitudes de onda infrarrojas, desde 1,400 nm hasta 1,700 nm”.
En el futuro, los investigadores planean ampliar su trabajo para convertir en capas más gruesas la luz de longitudes de onda más largas. También están tratando de mejorar la eficiencia del dispositivo explorando otras geometrías de pila.
“Existe un gran interés en todo el mundo por obtener imágenes infrarrojas sin utilizar sensores infrarrojos. Nuestro trabajo podría ser un punto de inflexión para esas aplicaciones”, afirma Raghunathan.
La entrada de infrarrojo cercano a 1550 nm se convierte en una salida visible de 622 nm en presencia de un haz de bombeo a 1040 nm a través de un proceso de generación de frecuencia de suma (SFG). La pila NLOM se optimiza utilizando un algoritmo de optimización de enjambre de partículas para maximizar la señal SFG detectada. Se realizan experimentos de conversión ascendente de imágenes que demuestran la obtención de imágenes reales en el plano de Fourier y el procesamiento en tiempo real del dominio de Fourier con buena fidelidad y eficiencia de obtención de imágenes.
