L'ingegnere ottico dei Sandia National Laboratories, Michael Goldflam, installa l'attrezzatura per caricare e caratterizzare un nuovo rivelatore abilitato per la nanoantenna. Credito:Randy Montoya
I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno sviluppato piccoli, antenne d'oro per aiutare le fotocamere e i sensori che "vedono" il calore a fornire immagini più chiare della radiazione termica infrarossa per qualsiasi cosa, dalle stelle e galassie alle persone, edifici e oggetti che richiedono sicurezza.
In un progetto di ricerca e sviluppo diretto in laboratorio, un team di ricercatori ha sviluppato un rilevatore abilitato per nanoantenna che può aumentare il segnale di una termocamera a infrarossi fino a tre volte e migliorare la qualità dell'immagine riducendo la corrente di buio, una componente importante del rumore dell'immagine, da 10 a 100 volte.
Le termocamere e i sensori a infrarossi esistono da 50 anni, ma il design tradizionale del rilevatore che si trova dietro l'obiettivo della fotocamera o il sistema ottico di un sensore sembra raggiungere i suoi limiti di prestazioni, disse David Peters, un manager di Sandia e capo progetto di nanoantenna.
Ha detto che una migliore sensibilità nei rilevatori a infrarossi, oltre a ciò che il design tipico può offrire, è importante sia per il lavoro di sicurezza nazionale di Sandia che per altri usi, come la ricerca astronomica.
Vedere di più con meno
La sensibilità e la qualità dell'immagine di un rilevatore a infrarossi di solito dipendono da uno spesso strato di materiale del rilevatore che assorbe il calore in ingresso e lo trasforma in un segnale elettrico che può essere raccolto e trasformato in un'immagine. Lo spessore dello strato del rivelatore determina quanto calore può essere assorbito e letto dalla telecamera, ma gli strati spessi hanno anche degli svantaggi.
"Il materiale del rilevatore crea sempre spontaneamente elettroni che vengono raccolti e aggiungono rumore all'immagine, che riduce la qualità dell'immagine, " ha detto Peters. "Questo fenomeno, chiamata corrente oscura, aumenta con lo spessore del materiale del rilevatore:più spesso è il materiale, più rumore crea nell'immagine."
Il team di ricerca ha sviluppato un nuovo design del rivelatore che si discosta dal fare affidamento su strati spessi e utilizza invece una nanoantenna a lunghezza d'onda inferiore, una serie modellata di forme quadrate o a croce dorate, concentrare la luce su uno strato più sottile di materiale rivelatore. Questo design utilizza solo una frazione di micron di materiale rilevatore, mentre i tradizionali rivelatori a infrarossi termici hanno uno spessore da 5 a 10 micron. Un capello umano è largo circa 75 micron.
Il design potenziato dalla nanoantenna aiuta i rilevatori a vedere oltre il 50% della radiazione infrarossa di un oggetto riducendo anche la distorsione dell'immagine causata dalla corrente oscura, mentre la tecnologia attuale può vedere solo circa il 25% della radiazione infrarossa. Consente inoltre l'invenzione di nuovi concetti di rivelatore che non sono possibili con la tecnologia esistente.
"Per esempio, con nanoantenne, è possibile espandere drasticamente la quantità di informazioni acquisite in un'immagine controllando squisitamente la risposta spettrale a livello di pixel, " disse Pietro.
Il team realizza i rilevatori abilitati per la nanoantenna alterando leggermente il consueto processo per realizzare un rilevatore a infrarossi. Inizia facendo "crescere" il materiale del rilevatore sopra un disco sottile chiamato wafer. Quindi il materiale del rivelatore viene capovolto su uno strato di elettronica che legge i segnali raccolti dalla nanoantenna e dallo strato del rivelatore. Dopo aver scartato il wafer, viene applicata una piccola quantità di oro per creare lo strato di nanoantenna modellato sopra il materiale del rilevatore.
Rilevatore abilitato per nanoantenna dei Sandia National Laboratories su un array sul piano focale assemblato per una termocamera a infrarossi. Le nanoantenne d'oro sono così piccole che non sono visibili sulla parte superiore dell'array di rivelatori. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
Dal laboratorio nazionale all'industria
"Non era scontato che avrebbe funzionato, ecco perché Sandia l'ha preso, " disse Peters. "Ora, siamo al punto in cui abbiamo dimostrato questo concetto e questa tecnologia è pronta per essere commercializzata. Questo concetto può essere applicato a diversi tipi di rivelatori, quindi c'è un'opportunità per i produttori esistenti di integrare questa nuova tecnologia con i loro rilevatori esistenti."
Peters ha affermato che Sandia sta cercando di stabilire un accordo di ricerca e sviluppo collaborativo per iniziare a trasferire la tecnologia all'industria.
"Questo progetto è un perfetto esempio di come un laboratorio nazionale può dimostrare un concetto e poi trasformarlo nell'industria dove può essere ulteriormente sviluppato, " disse Pietro.
