Sandia National Laboratories forskare har utvecklat små, guldantenner för att hjälpa kameror och sensorer som "ser" värme ger tydligare bilder av termisk infraröd strålning för allt från stjärnor och galaxer till människor, byggnader och föremål som kräver säkerhet.

I ett laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsprojekt, ett team av forskare utvecklade en nanoantennaktiverad detektor som kan förstärka signalen från en termisk infraröd kamera med upp till tre gånger och förbättra bildkvaliteten genom att minska mörkström, en viktig komponent i bildbrus, 10 till 100 gånger.

Termiska infraröda kameror och sensorer har funnits i 50 år, men den traditionella designen av detektorn som sitter bakom kameralinsen eller en sensors optiska system verkar nå sina prestandagränser, sa David Peters, en Sandia-chef och projektledare för nanoantenn.

Han sa förbättrad känslighet i infraröda detektorer, utöver vad den typiska designen kan leverera, är viktigt för både Sandias nationella säkerhetsarbete och för andra ändamål, såsom astronomisk forskning.

Se mer med mindre

Känsligheten och bildkvaliteten hos en infraröd detektor beror vanligtvis på ett tjockt lager av detektormaterial som absorberar inkommande värme och omvandlar den till en elektrisk signal som kan samlas in och omvandlas till en bild. Tjockleken på detektorskiktet avgör hur mycket värme som kan absorberas och avläsas av kameran, men tjocka lager har också nackdelar.

"Detektormaterialet skapar alltid spontant elektroner som samlas in och lägger till brus till bilden, vilket minskar bildkvaliteten, " sade Peters. "Detta fenomen, kallas mörk ström, ökar tillsammans med tjockleken på detektormaterialet – ju tjockare materialet är, desto mer brus i bilden skapar den."

Forskargruppen utvecklade en ny detektordesign som bryter sig från att förlita sig på tjocka lager och istället använder en subvåglängds nanoantenn, en mönstrad uppsättning guldfyrkanter eller korsformer, att koncentrera ljuset på ett tunnare lager av detektormaterial. Denna design använder bara en bråkdel av en mikron detektormaterial, medan traditionella termiska infraröda detektorer har en tjocklek på 5 till 10 mikron. Ett människohår är cirka 75 mikron brett.

Den nanoantennförbättrade designen hjälper detektorer att se mer än 50 % av ett objekts infraröda strålning samtidigt som den minskar bildförvrängning orsakad av mörkström, medan nuvarande teknik bara kan se cirka 25 % av infraröd strålning. Det möjliggör också uppfinning av nya detektorkoncept som inte är möjliga med befintlig teknik.

"Till exempel, med nanoantenner, det är möjligt att dramatiskt utöka mängden information som förvärvas i en bild genom att utsökt kontrollera spektralresponsen på pixelnivå, sa Peters.

Teamet tillverkar nanoantennaktiverade detektorer genom att något ändra den vanliga processen för att tillverka en infraröd detektor. Det börjar med att "växa" detektormaterialet ovanpå en tunn skiva som kallas en wafer. Sedan vänds detektormaterialet på ett lager av elektronik som läser signalerna som samlas in av nanoantennen och detektorlagret. Efter att ha kasserat wafern, en liten mängd guld appliceras för att skapa det mönstrade nanoantennskiktet ovanpå detektormaterialet.

Från nationellt labb till industri

"Det var inte givet att det här skulle fungera, så det var därför Sandia tog på sig det, " sa Peters. "Nu, vi har kommit till den punkt där vi har bevisat detta koncept och denna teknik är redo att kommersialiseras. Detta koncept kan appliceras på olika detektortyper, så det finns en möjlighet för befintliga tillverkare att integrera denna nya teknik med sina befintliga detektorer."

Peters sa att Sandia strävar efter att etablera ett samarbetsavtal för forskning och utveckling för att börja överföra tekniken till industrin.

"Detta projekt är ett perfekt exempel på hur ett nationellt labb kan bevisa ett koncept och sedan spinna ut det till industrin där det kan utvecklas vidare, sa Peters.