University of Central Florida-forskaren Debashis Chanda, professor vid NanoScience Technology Center, har utvecklat en ny teknik för att upptäcka fotoner – elementarpartiklar som sträcker sig från synligt ljus till radiofrekvenser och är avgörande för att bära cellulär kommunikation.

Framstegen kan leda till mer exakta och effektiva tekniker inom olika områden, från att förbättra medicinsk bildbehandling och kommunikationssystem till att förbättra vetenskaplig forskning och till och med potentiellt stärka säkerhetsåtgärder.

Fotondetektion har vanligtvis förlitat sig på förändring/modulering av spänning eller strömamplitud. Men Chanda har utvecklat ett sätt att detektera fotoner genom att modulera frekvensen hos en oscillerande krets, vilket banar vägen för ultrakänslig fotondetektion.

Chandas metod använder ett speciellt, fasförändringsmaterial (PCM) som ändrar sin form när ljus berör det, vilket skapar en elektrisk rytm som förblir stabil, eller en stabil elektrisk kretssvängning. När en ljusfoton träffar materialet ändrar den hur snabbt rytmen går, eller skiftar oscillationsfrekvensen. Hur mycket rytmen ändras beror på hur starkt ljuset är, liknande hur en persons röst ändrar ljudet på radion.

Den nya utvecklingen publicerades nyligen i Advanced Functional Materials.

Långvågsinfraröd (LWIR) detektering i våglängdsområdet 8 till 12 mikrometer är extremt viktigt inom astronomi, klimatvetenskap, materialanalys och säkerhet. LWIR-detektering vid rumstemperatur har dock varit en långvarig utmaning på grund av den låga energin hos fotoner.

LWIR-detektorer som för närvarande är tillgängliga kan brett kategoriseras i två typer:kylda och okylda detektorer, där båda har sina egna begränsningar.

Medan kylda detektorer erbjuder utmärkt detektivitet, kräver de kryogen kylning – vilket gör dem dyra och begränsar deras praktiska användbarhet. Å andra sidan kan okylda detektorer arbeta vid rumstemperatur men lider av låg detektivitet och långsam respons på grund av det högre termiska bruset som är inbyggt i rumstemperaturdrift. En låg kostnad, mycket känslig, snabb infraröd detektor/kamera fortsätter att möta vetenskapliga och tekniska utmaningar.

Detta är huvudorsaken till att LWIR-kameror inte används i stor utsträckning förutom i försvarsdepartementet och rymdspecifika applikationer.

"Till skillnad från alla nuvarande fotondetektionsscheman där ljuseffekt ändrar amplituden av spänning eller ström (amplitudmodulering—AM), i det föreslagna schemat, modulerar träffar eller incidenter av fotoner frekvensen hos en oscillerande krets och detekteras som en frekvensförskjutning, erbjuder inneboende robusthet mot ljud som är AM i naturen, säger Chanda.

"Vårt FM-baserade tillvägagångssätt ger en enastående ljudekvivalent effekt vid rumstemperatur, svarstid och detektivitet," säger Chanda. "Detta allmänna FM-baserade fotondetektionskoncept kan implementeras i vilket spektralområde som helst baserat på andra fasförändringsmaterial."

"Våra resultat introducerar denna nya FM-baserade detektor som en unik plattform för att skapa billiga, högeffektiva okylda infraröda detektorer och bildsystem för olika applikationer som fjärranalys, värmeavbildning och medicinsk diagnostik," säger Chanda. "Vi är övertygade om att prestandan kan förbättras ytterligare med lämpliga förpackningar i industriskala."

Detta koncept utvecklat av Chanda-gruppen ger ett paradigmskifte till högkänslig, okyld LWIR-detektion eftersom brus begränsar detektionskänsligheten. Detta resultat lovar ett nytt okylt LWIR-detektionssystem som är högkänsligt, låg kostnad och enkelt kan integreras med elektroniska avläsningskretsar, utan behov av komplex hybridisering.

Mer information: Tianyi Guo et al, Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging vid rumstemperatur, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202309298

Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial

Tillhandahålls av University of Central Florida