Da esquerda para a direita: Esquema do espelho óptico usado para conversão ascendente infravermelho-visível; diagrama de energia mostrando o processo de geração da soma de frequências; image do logotipo do instituto convertida usando a técnica.
[Imagem: Jyothsna KM]

Conversão ascendente

Pesquisadores indianos construíram um dispositivo capaz de converter a frequência da luz infravermelha para a faixa visível, um marco nas chamadas tecnologias de visão noturna, ou imagens termais.

A conversão ascendente de luz, também conhecida como luminescência por conversão ascendente, é um processo óptico no qual um material absorve fótons de energia baixa e emite fótons de energia mais alta. Ela tem diversas aplicações, especialmente em comunicações.

As imagens infravermelhas hoje usam semicondutores exóticos ou matrizes de microbolômetros, que geralmente captam assinaturas de calor de um objeto, algo que também é útil em diversas áreas, da astronomia à química. Por exemplo, quando a luz infravermelha passa através de um gás, detectar como a luz muda pode ajudar a descobrir propriedades específicas do gás, e essa detecção nem sempre é possível usando luz visível.

No entanto, os sensores infravermelhos atuais são volumosos, caros e não muito eficientes, gerando uma busca por técnicas mais eficientes.

Agora, Jyothsna Manattayil e colegas do Instituto Indiano de Ciência usaram um material 2D para projetar o que eles chamam de "pilha de espelhos ópticos não lineares," que pela primeira vez alcançou a conversão ascendente de infravermelho para óptico, com o ganho adicional de uma capacidade de imagem de campo amplo.

"Em nossos experimentos, nós usamos luz infravermelha de 1.550 nm e um feixe de bombeamento de 1.040 nm. Mas isso não significa que não funcionará para outros comprimentos de onda," disse a pesquisadora. "Vimos que o desempenho não caiu para uma ampla faixa de comprimentos de onda infravermelhos, de 1400 nm a 1700 nm."

O processo de conversão ascendente já é bastante eficiente, mas a equipe acredita que dá para melhorar.
[Imagem: Jyothsna Konkada Manattayil et al. - 10.1002/lpor.202400374]

Tornando a luz infravermelha visível

A pilha consiste em várias camadas do semicondutor seleneto de gálio postas sobre o topo de uma superfície reflexiva de ouro, com uma camada de dióxido de silício entre elas.

O sinal infravermelho de entrada e um feixe de luz de bombeamento entram diretamente na pilha de espelhos. As propriedades ópticas não lineares do material resultam em uma mistura das frequências, gerando um feixe de saída de frequência mais alta (conversão ascendente), mas com o restante das propriedades intactas. "Este processo é coerente - as propriedades do feixe de entrada são preservadas na saída. Isso significa que, se alguém imprimir um padrão específico na frequência infravermelha de entrada, ele será automaticamente transferido para a nova frequência de saída," explicou o professor Varun Raghunathan.

Usando este método, a equipe conseguiu converter luz infravermelha de comprimento de onda em torno de 1550 nm para luz visível de 622 nm. A onda de luz de saída pode ser detectada usando câmeras tradicionais, baseadas em silício.

A vantagem de usar seleneto de gálio é sua alta não linearidade óptica, o que significa que um único fóton de luz infravermelha e um único fóton do feixe de bombeamento combinam-se para fornecer um único fóton de luz com frequência convertida. A equipe conseguiu alcançar a conversão ascendente mesmo com uma camada de seleneto de gálio tão fina quanto 45 nm. Isso torna o dispositivo mais barato do que os dispositivos tradicionais, que usam cristais na faixa dos centímetros. O desempenho também foi comparável aos atuais sistemas de conversão ascendente de imagem de última geração.

Os pesquisadores planejam agora tornar seu dispositivo capaz de converter luz de comprimentos de onda mais longos, além de melhorar a eficiência do conversor explorando outras geometrias de pilha. "Há muito interesse em todo o mundo em fazer imagens infravermelhas sem usar sensores infravermelhos. Nosso trabalho pode ser um divisor de águas para essas aplicações," disse Raghunathan.