微小化ソリューションにより赤外光を可視化

July, 3, 2024, Bangalore--インド科学研究所(インド・バンガロール)の研究チームは、新しい2次元材料を利用して、短赤外光を可視領域に変換するためのコンパクトで効率的なデバイスを作製した(Laser Photonics Rev., doi: 10.1002/lpor.202400374)。
小型化された設計は、広視野赤外線イメージングの新たな可能性を開き、面倒な赤外線光検出器の代わりに高性能シリコンセンサを使用できるようにする効率的で実用的なアップコンバージョンソリューションとなる。

セレン化ガリウムへの転向
周波数アップコンバージョンの従来の手法は、大型の非線形結晶と慎重な光学エンジニアリングに依存しているが、フォームファクタが小さく新しい代替品は、高い変換効率を提供するのに苦労している。これらの問題に対処するために、研究チームは代わりに、より高い高調波を生成する能力で知られる非対称構造を持つ層状半導体であるセレン化ガリウム(GaSe)に目を向けた。

今回の設計では、誘電体スペーサによって反射する金表面から分離された非線形光学ミラーの活性層として、多層GaSeの薄いフレークを利用した。波長約1550nmの入力赤外線信号と1040nmの励起レーザを組み合わせると、2D材料内での光混合により、和周波数発生(SHG)と呼ばれるプロセスによって622nmの光が生成される。

「このプロセスは一貫性があり、入力ビームの特性が出力で維持されることが保証される。入力赤外線周波数に特定のパターンを刻印すると、自動的に新しい出力周波数に転送される」と、責任著者のVarun Raghunathanは説明している。

キャプチャされたアップコンバージョン
研究チームは、層の厚さを最適化することにより、SHG信号の強度を高めた。50nmの誘電体層に45nmのGaSeフレークを結合させると、スペーサ層が広く、バックリフレクタがない基準構造に比べて40倍の改善が見られた。この最適化された構造の性能は、最先端のアップコンバージョン方式の性能に匹敵し、層の厚さを変えることで、他の赤外線周波数でも同様の効率を達成することができる。

小型デバイスが広視野赤外線イメージングに使用できることを示すために、入力信号に符号化されたパタンをGaSeフレークの拡張領域に投影した。アップコンバートされた出力を従来のシリコンベースのカメラでキャプチャすると、実平面とフーリエ平面の両方の構成で忠実度の高い画像が得られ、フーリエ領域処理によってリアルタイムのフィルタリング操作も実行できた。

研究チームは現在、アップコンバージョンプロセスの効率をさらに向上させるために取り組んでおり、より高いポンプ出力を使用したり、スタック内で複数のGaSeフレークを組み合わせたり、共振構造をデバイス設計に統合したりすることで達成できると考えている。