Работа ученых опубликована в журнале ACS Nano.

Хорошо известно, что инфракрасное (ИК) излучение невидимо для человеческого глаза. Однако нередко случается так, что людям все же нужно увидеть луч лазера, работающего в ИК-диапазоне. Это необходимо, например, при проверке лазерной установки, а также ее юстировке.

«В настоящее время в области инфракрасной оптики существует задача визуализации ИК-излучения, используемого для тех или иных применений, ― рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета, руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров. ― Такое излучение широко используется в медицине, на производстве, в лидарах, в фундаментальных исследованиях. Лазерные установки ИК-диапазона имеются практически в каждой второй оптической лаборатории, к примеру, только у нас в ИТМО их более сотни».

Чтобы увидеть, излучает ли установка в инфракрасном диапазоне, вовсе не обязательно надевать прибор ночного видения или брать специальную камеру. Для этого используют карточки из специального материала.

«Если вы используете лазер, работающий в видимом диапазоне, то вы можете просто взять тетрадный листок, поставить его поперек луча и увидите на нем точку. С ИК-лазером так не получится ― вы заметите его только тогда, когда он начнет поджигать листок бумаги. Однако для инфракрасного излучения есть карточки из специальных материалов, которые работают по сходному принципу. Если перегородить такой карточкой путь лучу, вы увидите точку на ее поверхности. Они сделаны с добавлением ионов редкоземельных металлов, которые поглощают ИК, излучают и преобразуют его в видимый спектр», ― поясняет Сергей Макаров.

Такие карточки являются важным компонентом для любой оптической лаборатории или производства с ИК-лазером. Однако у них, по словам ученых, есть ряд недостатков ― начиная от высокой цены и заканчивая сравнительно маленьким сроком службы. Кроме того, они не универсальны и подойдут не для любой установки.

«Так как они работают на реальном поглощении инфракрасного излучения и преобразовании его в видимый спектр, то их можно использовать только на определенной длине волны, ― поясняет аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Дарья Маркина. ― Их делают под самые распространенные длины волн: около 1000 нанометров (для медицины) и 1500 нанометров (для телекома). Но зачастую требуется использовать и настроить лазер на нестандартной длине волны. Мы часто сталкивались с тем, что для одного диапазона карточки работают хорошо, но для другого почти не работают и получается, что надо заказывать новые, тратить порядка 100 долларов за штуку, потом они выгорают, и надо опять покупать новые».

От теории к практике

Постоянно сталкиваясь с неудобствами из-за дороговизны и недолговечности используемых ИК-визуализаторов, ученые из Университета ИТМО, Алферовского университета (АУ) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили применить свои фундаментальные работы для создания материала для ИК-визуализаторов нового поколения, лишенных многих недостатков использующейся сейчас продукции.

«Мы как физики-оптики понимаем, как это работает, и тем более у нас есть хороший задел в области наноматериалов, нанотехнологий. Мы уже давно исследуем такие эффекты, как преобразование ИК-излучения в видимый диапазон за счет генерации оптических гармоник на наноструктурах, ― объясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Михаил Петров. ― В работах последних лет мы на фундаментальном уровне изучили основные аспекты того, как лазерное излучение преобразуется в видимый на наночастицах».

Для создания прототипа были выбраны нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия (GaP). Ученые из Алферовского университета уже давно работают над выращиванием наноструктур из этого материала, имеющего очень интересные оптические свойства.

«В связи с тем, что кристаллическая решетка этого материала нецентросимметрична, он может уменьшать в два раза длину волны падающего на него излучения. Так ИК-свет с длиной волны в 1000 нанометров преобразуется в видимое излучение в 500 нанометров, то есть в зеленовато-голубое. Этот принцип работает для излучения в широком диапазоне длин волн, что решает первую проблему многих существующих карточек для ИК-визуализации ― их неуниверсальность и спектральную ограниченность», ― отметил старший научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии АУ Владимир Федоров.

«В нашей лаборатории в АУ были выращены нитевидные кристаллы (ННК) фосфида галлия вертикально на подложке, ― рассказывает заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии АУ Иван Мухин. ― Затем мы залили их тонким слоем полимера, оторвали его от подложки и получили мембрану, нашпигованную этими наноструктурами. В некотором смысле это совершенно уникальная для РФ технология. Так получилась гибкая, тонкая, полупрозрачная пленка, которая пропускает через себя ИК-луч без существенных искажений, уменьшая его длину волны, делая его видимым для человеческого глаза. Все эти работы возможны благодаря приличному технологическому оснащению нашей лаборатории».

Старший научный сотрудник АУ Владимир Неплох добавляет: гибкие оптоэлектронные приборы сейчас крайне актуальны.

«Они находят свое применение не только в ИК-структурах, но и в дисплеях и сенсорных экранах. Мы считаем, что структуры на основе ННК в ближайшем будущем создадут новое поколение устройств и заменят существующие решения», ― говорит он.

Прозрачность пленки имеет очень важное значение. Существующие образцы не пропускают излучение: подобно листку бумаги они полностью преграждают дорогу лучу. Сквозь образец, полученный петербургскими учеными, свет проходит, что делает использование намного проще.

«Настройка оптических систем, юстировка занимает зачастую многие часы, чтобы просто перенаправить луч, а это приходится делать почти каждый день. Часто надо его отразить от нескольких зеркал под определенным углом. Это очень тонкая настройка. В случае с ИК приходится работать фактически вслепую, ― рассказывает Мария Тимофеева, сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). ― Намного удобнее вести настройку, когда установка включена и мы видим преобразованный луч. Просто поставить непрозрачную карточку не всегда удобно, ведь иногда, настроив один блок установки, надо юстировать другой, желательно контролируя, как в это время идет луч. Таким образом с прозрачной карточкой мы убиваем сразу двух зайцев: мы видим свет и не преграждаем ему путь ― на рынке мы аналогов с подобным характеристиками не встречали. Это важный этап ― переход от фундаментальной работы с одиночными частицами к реальной технологии сантиметрового масштаба».

Статья: V.V. Fedorov, A. Bolshakov, O. Sergaeva, V. Neplokh, D. Markina, S. Bruyère, G. Saerens, M.I. Petrov, R. Grange, M. Timofeeva, S.V. Makarov, I.S. Mukhin. Gallium Phosphide Nanowires in a Free-Standing, Flexible, and Semitransparent Membrane for Large-Scale Infrared-to-Visible Light Conversion, ACS Nano, 2020/10.1021/acsnano.0c04872