Rendre visible la lumière infrarouge
Des chercheurs de l’Institut indien des sciences(IISc) ont développé un dispositif permettant d’augmenter ou de « convertir » la fréquence de la lumière infrarouge courte dans le domaine visible.
La conversion ascendante de la lumière a diverses applications, notamment dans les domaines de la défense et des communications optiques. L’équipe de l’IISc a utilisé pour la première fois un matériau 2D pour concevoir ce qu’elle appelle une pile de miroirs optiques non linéaires afin d’obtenir cette conversion ascendante, associée à une capacité d’imagerie à large champ. L’empilement se compose de plusieurs couches de séléniure de gallium fixées au sommet d’une surface réfléchissante en or, avec une couche de dioxyde de silicium intercalée entre les deux.
L’imagerie infrarouge traditionnelle utilise des semiconducteurs exotiques à bande interdite à faible énergie ou des réseaux de micro-bolomètres, qui captent généralement la chaleur ou les signatures d’absorption de l’objet étudié. L’imagerie et la détection dans l’infrarouge sont utiles dans divers domaines, de l’astronomie à la chimie. Par exemple, lorsqu’une lumière infrarouge traverse un gaz, la détection de la variation de la lumière peut aider les scientifiques à déterminer les propriétés spécifiques du gaz. Ce type de détection n’est pas toujours possible avec la lumière visible.
La méthode utilisée par l’équipe de l’IISc consiste à envoyer un signal infrarouge d’entrée ainsi qu’un faisceau de pompage sur la pile de miroirs. Les propriétés optiques non linéaires du matériau constituant l’empilement entraînent un mélange des fréquences, ce qui donne un faisceau de sortie de fréquence accrue (convertie), mais dont les autres propriétés restent intactes. Grâce à cette méthode, ils ont pu convertir la lumière infrarouge d’une longueur d’onde d’environ 1550 nm en lumière visible de 622 nm. L’onde lumineuse émise peut être détectée à l’aide de caméras traditionnelles au silicium.
« Ce processus est cohérent : les propriétés du faisceau d’entrée sont conservées à la sortie. Cela signifie que si l’on imprime un motif particulier dans la fréquence infrarouge d’entrée, il est automatiquement transféré à la nouvelle fréquence de sortie », explique Varun Raghunathan, professeur associé au département d’ingénierie des communications électriques (ECE) et auteur correspondant de l’étude publiée dans la revue Laser & Photonics Reviews.
L’auteur principal, Jyothsna KM, aligne les faisceaux optiques pour les expériences de conversion ascendante (Photo : Harinee Natarajan).
L’avantage de l’utilisation du séléniure de gallium, ajoute-t-il, est sa non-linéarité optique élevée, ce qui signifie qu’un photon unique de lumière infrarouge et un photon unique du faisceau de pompe peuvent se combiner pour donner un photon unique de lumière avec une fréquence convertie vers le haut. L’équipe a réussi à obtenir la conversion ascendante même avec une fine couche de séléniure de gallium de seulement 45 nm. Sa petite taille le rend plus rentable que les dispositifs traditionnels qui utilisent des cristaux de quelques centimètres. Ses performances sont également comparables à celles des systèmes d’imagerie à conversion ascendante les plus récents.
Jyothsna K Manattayil, doctorante à l’ECE et premier auteur, explique qu’ils ont utilisé un algorithme d’optimisation par essaim particulaire pour accélérer le calcul de la bonne épaisseur des couches nécessaires. 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 adaptée en fonction de l’application. « Dans nos expériences, nous avons utilisé une lumière infrarouge de 1550 nm et un faisceau de pompe de 1040 nm. Mais cela ne veut pas dire que cela ne fonctionnera pas pour d’autres longueurs d’onde », précise-t-elle. « Nous avons constaté que les performances ne diminuaient pas pour une large gamme de longueurs d’onde infrarouges, de 1400 nm à 1700 nm ».
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’étendre leurs travaux à la conversion ascendante de la lumière de longueurs d’onde plus importantes. Ils tentent également d’améliorer l’efficacité du dispositif en explorant d’autres géométries d’empilement.
« L’imagerie infrarouge sans capteurs infrarouges suscite beaucoup d’intérêt dans le monde entier. Notre travail pourrait changer la donne pour ces applications », déclare M. Raghunathan.
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