06.12.2021 - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Molekulares Gerät verwandelt Infrarot in sichtbares Licht

Durchbruch führt zu einer neuen Klasse von kompakten Sensoren für die Wärmebildtechnik und die chemische oder biologische Analyse

Licht ist eine elektromagnetische Welle: Es besteht aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern, die sich im Raum ausbreiten. Jede Welle ist durch ihre Frequenz gekennzeichnet, die sich auf die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bezieht und in Hertz (Hz) gemessen wird. Unsere Augen können Frequenzen zwischen 400 und 750 Billionen Hz (oder Terahertz, THz) wahrnehmen, die das sichtbare Spektrum definieren. Lichtsensoren in Handykameras können Frequenzen bis hinunter zu 300 THz erkennen, während Detektoren, die für Internetverbindungen über Glasfasern verwendet werden, bis zu etwa 200 THz empfindlich sind.

Bei niedrigeren Frequenzen reicht die vom Licht transportierte Energie nicht aus, um die Photorezeptoren in unseren Augen und in vielen anderen Sensoren auszulösen, was ein Problem darstellt, da bei Frequenzen unterhalb von 100 THz, dem mittleren und fernen Infrarotspektrum, eine Fülle von Informationen verfügbar ist. Ein Körper mit einer Oberflächentemperatur von 20 °C sendet beispielsweise Infrarotlicht bis zu 10 THz aus, das mit Wärmebildern "gesehen" werden kann. Auch chemische und biologische Substanzen weisen im mittleren Infrarot deutliche Absorptionsbanden auf, so dass wir sie mit Hilfe der Infrarotspektroskopie aus der Ferne zerstörungsfrei identifizieren können, wofür es unzählige Anwendungen gibt.

Infrarot in sichtbares Licht verwandeln

Wissenschaftler der EPFL, des Wuhan Institute of Technology, der Polytechnischen Universität Valencia und des AMOLF in den Niederlanden haben nun eine neue Methode entwickelt, um Infrarotlicht zu erkennen, indem sie seine Frequenz in die des sichtbaren Lichts ändern. Das Gerät kann die "Sichtweite" allgemein verfügbarer und hochempfindlicher Detektoren für sichtbares Licht weit in den Infrarotbereich hinein erweitern. Der Durchbruch wurde in Science veröffentlicht.

Die Frequenzumwandlung ist keine leichte Aufgabe. Die Frequenz des Lichts ist eine Grundschwingung, die sich aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht einfach ändern lässt, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektiert oder es durch ein Material leitet.

Die Forscher umgingen dies, indem sie dem Infrarotlicht mit Hilfe eines Vermittlers Energie hinzufügten: winzige schwingende Moleküle. Das Infrarotlicht wird auf die Moleküle gelenkt, wo es in Schwingungsenergie umgewandelt wird. Gleichzeitig trifft ein Laserstrahl mit höherer Frequenz auf dieselben Moleküle, um die zusätzliche Energie zu liefern und die Schwingungen in sichtbares Licht umzuwandeln. Um den Umwandlungsprozess zu beschleunigen, werden die Moleküle zwischen metallischen Nanostrukturen eingebettet, die als optische Antennen fungieren und das Infrarotlicht und die Laserenergie auf die Moleküle konzentrieren.

Ein neues Licht

"Das neue Gerät hat eine Reihe attraktiver Eigenschaften", sagt Professor Christophe Galland von der EPFL School of Basic Sciences, der die Studie geleitet hat. "Erstens ist der Umwandlungsprozess kohärent, d.h. alle im ursprünglichen Infrarotlicht vorhandenen Informationen werden getreu auf das neu erzeugte sichtbare Licht abgebildet. Dies ermöglicht eine hochauflösende Infrarotspektroskopie mit Standarddetektoren, wie sie in Handykameras zu finden sind. Zweitens ist jedes Bauteil nur wenige Mikrometer lang und breit, was bedeutet, dass es in große Pixelarrays integriert werden kann. Schließlich ist die Methode sehr vielseitig und kann an verschiedene Frequenzen angepasst werden, indem einfach Moleküle mit unterschiedlichen Schwingungsmoden ausgewählt werden.

"Bislang ist die Lichtumwandlungseffizienz des Geräts jedoch noch sehr gering", gibt Dr. Wen Chen, Erstautor der Arbeit, zu bedenken. "Wir konzentrieren uns jetzt darauf, ihn weiter zu verbessern" - ein wichtiger Schritt in Richtung kommerzieller Anwendungen.

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