El ingeniero óptico de Sandia National Laboratories, Michael Goldflam, instala el equipo para cargar y caracterizar un nuevo detector habilitado para nanoantenas. Crédito:Randy Montoya
Los investigadores de Sandia National Laboratories han desarrollado pequeños, antenas doradas para ayudar a las cámaras y sensores que "ven" el calor a entregar imágenes más claras de la radiación térmica infrarroja para todo, desde estrellas y galaxias hasta personas, edificios y elementos que requieran seguridad.
En un proyecto de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio, un equipo de investigadores desarrolló un detector habilitado con nanoantenas que puede aumentar la señal de una cámara térmica infrarroja hasta tres veces y mejorar la calidad de la imagen al reducir la corriente oscura, un componente importante del ruido de la imagen, de 10 a 100 veces.
Las cámaras y sensores de infrarrojos térmicos existen desde hace 50 años, pero el diseño tradicional del detector que se encuentra detrás de la lente de la cámara o el sistema óptico de un sensor parece estar llegando a sus límites de rendimiento, dijo David Peters, gerente de Sandia y líder del proyecto de nanoantenas.
Dijo que mejora la sensibilidad en los detectores de infrarrojos, más allá de lo que puede ofrecer el diseño típico, es importante tanto para el trabajo de seguridad nacional de Sandia como para otros usos, como la investigación astronómica.
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La sensibilidad y la calidad de imagen de un detector de infrarrojos generalmente depende de una capa gruesa de material del detector que absorbe el calor entrante y lo convierte en una señal eléctrica que se puede recopilar y convertir en una imagen. El grosor de la capa del detector determina cuánto calor puede absorber y leer la cámara, pero las capas gruesas también tienen inconvenientes.
"El material del detector siempre crea electrones de manera espontánea que se recolectan y agregan ruido a la imagen, lo que reduce la calidad de la imagen, Peters dijo. Este fenómeno, llamada corriente oscura, aumenta junto con el grosor del material del detector; cuanto más grueso es el material, más ruido crea la imagen ".
El equipo de investigación desarrolló un nuevo diseño de detector que deja de depender de capas gruesas y, en cambio, utiliza una nanoantena de sublongitud de onda. una serie de patrones de formas cuadradas o cruzadas de oro, para concentrar la luz en una capa más delgada de material detector. Este diseño utiliza solo una fracción de una micra de material detector, mientras que los detectores infrarrojos térmicos tradicionales tienen un espesor de 5 a 10 micrones. Un cabello humano tiene aproximadamente 75 micrones de ancho.
El diseño mejorado con nanoantenas ayuda a los detectores a ver más del 50% de la radiación infrarroja de un objeto y al mismo tiempo reduce la distorsión de la imagen causada por la corriente oscura. mientras que la tecnología actual solo puede ver alrededor del 25% de la radiación infrarroja. También permite la invención de nuevos conceptos de detectores que no son posibles con la tecnología existente.
"Por ejemplo, con nanoantenas, es posible expandir dramáticamente la cantidad de información adquirida en una imagen controlando exquisitamente la respuesta espectral a nivel de píxel, Peters dijo.
El equipo fabrica los detectores habilitados para nanoantenas alterando ligeramente el proceso habitual para fabricar un detector de infrarrojos. Comienza "haciendo crecer" el material del detector en la parte superior de un disco delgado llamado oblea. Luego, el material del detector se coloca en una capa de componentes electrónicos que lee las señales recopiladas por la nanoantena y la capa del detector. Después de descartar la oblea, Se aplica una pequeña cantidad de oro para crear la capa de nanoantenas estampadas en la parte superior del material del detector.
Detector habilitado con nanoantenas de Sandia National Laboratories en una matriz de plano focal ensamblada para una cámara termográfica infrarroja. Las nanoantenas de oro son tan pequeñas que no son visibles en la parte superior de la matriz de detectores. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
Del laboratorio nacional a la industria
"No era un hecho que esto iba a funcionar, así que por eso Sandia lo tomó, Peters dijo. Ahora, estamos en el punto en que hemos probado este concepto y esta tecnología está lista para ser comercializada. Este concepto se puede aplicar a diferentes tipos de detectores, por lo que existe una oportunidad para que los fabricantes existentes integren esta nueva tecnología con sus detectores existentes ".
Peters dijo que Sandia está buscando pistas para establecer un acuerdo de investigación y desarrollo colaborativo para comenzar a transferir la tecnología a la industria.
"Este proyecto es un ejemplo perfecto de cómo un laboratorio nacional puede probar un concepto y luego trasladarlo a la industria donde se puede desarrollar aún más, Peters dijo.
