Nanoantenner hjælper detektorer med at se mere varme, mindre støj

Sandia National Laboratories forskere har udviklet små, guldantenner til at hjælpe kameraer og sensorer, der "ser" varme, levere klarere billeder af termisk infrarød stråling for alt fra stjerner og galakser til mennesker, bygninger og ting, der kræver sikkerhed.

I et laboratorieorienteret forsknings- og udviklingsprojekt, et team af forskere udviklede en nanoantenna-aktiveret detektor, der kan øge signalet fra et termisk infrarødt kamera med op til tre gange og forbedre billedkvaliteten ved at reducere mørk strøm, en vigtig komponent i billedstøj, med 10 til 100 gange.

Termiske infrarøde kameraer og sensorer har eksisteret i 50 år, men det traditionelle design af detektoren, der sidder bag kameralinsen eller en sensors optiske system, ser ud til at nå sine ydelsesgrænser, sagde David Peters, en Sandia -leder og nanoantenna -projektleder.

Han sagde forbedret følsomhed i infrarøde detektorer, ud over hvad det typiske design kan levere, er vigtig for både Sandias nationale sikkerhedsarbejde og for andre formål, såsom astronomisk forskning.

At se mere med mindre

Følsomheden og billedkvaliteten af ​​en infrarød detektor afhænger normalt af et tykt lag af detektormateriale, der absorberer indgående varme og gør det til et elektrisk signal, der kan opsamles og omdannes til et billede. Tykkelsen af ​​detektorlaget bestemmer, hvor meget varme der kan absorberes og læses af kameraet, men tykke lag har også ulemper.

"Detektormaterialet skaber altid spontant elektroner, der opsamles og tilføjer støj til billedet, hvilket reducerer billedkvaliteten, "Sagde Peters." Dette fænomen, kaldet mørk strøm, øges sammen med tykkelsen af ​​detektormaterialet - jo tykkere materialet er, jo mere støj i billedet skaber det. "

Forskergruppen udviklede et nyt detektordesign, der bryder fra at stole på tykke lag og i stedet bruger en subbølgelængde nanoantenna, en mønstret række af firkantede eller krydsede guldformer, at koncentrere lyset på et tyndere lag af detektormateriale. Dette design bruger kun en brøkdel af en mikron detektormateriale, der henviser til, at traditionelle termiske infrarøde detektorer har en tykkelse på 5 til 10 mikron. Et menneskehår er omkring 75 mikron i bredden.

Det nanoantenna-forbedrede design hjælper detektorer med at se mere end 50% af et objekts infrarøde stråling, samtidig med at det reducerer billedforvrængning forårsaget af mørk strøm, der henviser til, at den nuværende teknologi kun kan se omkring 25% af infrarød stråling. Det giver også mulighed for opfindelsen af ​​nye detektorkoncepter, der ikke er mulige med eksisterende teknologi.

"For eksempel, med nanoantenner, det er muligt dramatisk at udvide mængden af ​​information erhvervet i et billede ved udsøgt at kontrollere spektralresponsen på pixelniveau, "Sagde Peters.

Teamet fremstiller de nanoantenna-aktiverede detektorer ved lidt at ændre den sædvanlige proces til fremstilling af en infrarød detektor. Det starter med at "dyrke" detektormaterialet oven på en tynd disk kaldet en wafer. Derefter vendes detektormaterialet på et lag elektronik, der læser de signaler, der indsamles af nanoantenna og detektorlaget. Efter kassering af skiven, en lille mængde guld påføres for at skabe det mønstrede nanoantenna lag oven på detektormaterialet.

Fra nationalt laboratorium til industri

”Det var ikke givet, at det her ville fungere, så derfor tog Sandia det på sig, "Sagde Peters." Nu, vi er på det punkt, hvor vi har bevist dette koncept, og denne teknologi er klar til at blive kommercialiseret. Dette koncept kan anvendes på forskellige detektortyper, så der er mulighed for eksisterende producenter at integrere denne nye teknologi med deres eksisterende detektorer. "

Peters sagde, at Sandia forfølger spor efter at etablere en samarbejdsaftale om forskning og udvikling for at begynde at overføre teknologien til industrien.

"Dette projekt er et perfekt eksempel på, hvordan et nationalt laboratorium kan bevise et koncept og derefter dreje det videre til industrien, hvor det kan udvikles yderligere, "Sagde Peters.