Forsker opdager ny teknik til fotondetektion

University of Central Florida-forsker Debashis Chanda, professor ved NanoScience Technology Center, har udviklet en ny teknik til at detektere fotoner - elementære partikler, der spænder fra synligt lys til radiofrekvenser og er medvirkende til at bære cellulær kommunikation.

Fremskridtet kan føre til mere præcise og effektive teknologier på forskellige områder, fra forbedring af medicinsk billeddannelse og kommunikationssystemer til forbedring af videnskabelig forskning og endda potentielt styrkelse af sikkerhedsforanstaltninger.

Fotondetektion har typisk været afhængig af ændring/modulation af spænding eller strømamplitude. Men Chanda har udviklet en måde at detektere fotoner ved at modulere frekvensen af ​​et oscillerende kredsløb, hvilket baner vejen for ultrafølsom fotondetektion.

Chandas metode bruger et specielt faseskiftemateriale (PCM), der ændrer sin form, når lyset rører ved det, hvilket giver en elektrisk rytme, der forbliver stabil, eller en stabil elektrisk kredsløbsoscillation. Når en lysfoton rammer materialet, ændrer den, hvor hurtigt rytmen går, eller skifter oscillationsfrekvensen. Hvor meget rytmen ændrer sig afhænger af, hvor stærkt lyset er, ligesom en persons stemme ændrer lyden på radioen.

Den nye udvikling blev offentliggjort for nylig i Advanced Functional Materials.

Long Wave Infrared (LWIR)-detektion i bølgelængdeområdet på 8 til 12 mikrometer er ekstremt vigtigt inden for astronomi, klimavidenskab, materialeanalyse og sikkerhed. LWIR-detektion ved stuetemperatur har imidlertid været en langvarig udfordring på grund af fotonernes lave energi.

LWIR-detektorer, der i øjeblikket er tilgængelige, kan bredt kategoriseres i to typer:kølede og ukølede detektorer, hvor begge har deres egne begrænsninger.

Mens afkølede detektorer tilbyder fremragende detektivitet, kræver de kryogen afkøling - hvilket gør dem dyre og begrænser deres praktiske anvendelighed. På den anden side kan ukølede detektorer fungere ved stuetemperatur, men lider af lav detektivitet og langsom respons på grund af den højere termiske støj, der er forbundet med stuetemperaturdrift. En lavpris, meget følsom, hurtig infrarød detektor/kamera fortsætter med at konfrontere videnskabelige og teknologiske udfordringer.

Dette er hovedårsagen til, at LWIR-kameraer ikke er almindeligt anvendte undtagen i forsvarsministeriet og rumspecifikke applikationer.

"I modsætning til alle nuværende fotondetektionsskemaer, hvor lyseffekt ændrer amplituden af ​​spænding eller strøm (amplitudemodulation - AM), i det foreslåede skema modulerer hits eller hændelser af fotoner frekvensen af ​​et oscillerende kredsløb og detekteres som et frekvensskift, tilbyder iboende robusthed over for støj, som er AM i naturen," siger Chanda.

"Vores FM-baserede tilgang giver en enestående rumtemperatur støjækvivalent effekt, responstid og detektivitet," siger Chanda. "Dette generelle FM-baserede fotondetektionskoncept kan implementeres i ethvert spektralområde baseret på andre faseændringsmaterialer."

"Vores resultater introducerer denne nye FM-baserede detektor som en unik platform til at skabe lavpris, højeffektive ukølede infrarøde detektorer og billeddannelsessystemer til forskellige applikationer såsom fjernmåling, termisk billeddannelse og medicinsk diagnostik," siger Chanda. "Vi er overbevist om, at ydeevnen kan forbedres yderligere med korrekt emballage i industriskala."

Dette koncept udviklet af Chanda-gruppen giver et paradigmeskift til højfølsom, ukølet LWIR-detektion, da støj begrænser detektionsfølsomheden. Dette resultat lover et nyt ukølet LWIR-detektionsskema, der er højfølsomt, lavt pris og nemt kan integreres med elektronisk udlæsningskredsløb uden behov for kompleks hybridisering.

Flere oplysninger: Tianyi Guo et al., Frequency Modulation Based Long-Wave Infrared Detection and Imaging ved stuetemperatur, Avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202309298

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af University of Central Florida