Les chercheurs de l’Institut Indien des Sciences (IISc) ont développé un dispositif innovant permettant d’augmenter la fréquence de la lumière infrarouge courte vers le spectre visible.
L’équipe de l’IISc a conçu un miroir optique non linéaire utilisant un matériau bidimensionnel pour réaliser cette conversion de fréquence. Le dispositif se compose de plusieurs couches de séléniure de gallium fixées sur une surface réfléchissante en or, avec une couche intermédiaire de dioxyde de silicium.
Cette méthode implique l’utilisation d’un signal infrarouge d’entrée combiné à un faisceau de pompage dirigé vers le miroir multicouche. Les propriétés optiques non linéaires du matériau entraînent un mélange des fréquences, produisant ainsi un faisceau de sortie de fréquence plus élevée tout en préservant ses autres caractéristiques.
L’imagerie infrarouge traditionnelle repose sur des semi-conducteurs exotiques à faible bande interdite ou des matrices de microbolomètres, qui détectent généralement les signatures thermiques ou d’absorption des objets étudiés. Cette technologie trouve des applications dans divers domaines, de l’astronomie à la chimie.
Cependant, les capteurs infrarouges existants sont souvent volumineux et peu efficaces. De plus, leur exportation peut être restreinte sur certains marchés en raison de leur utilité dans le secteur de la défense. Le développement de dispositifs indigènes et performants répond donc à un besoin crucial.
Grâce à cette nouvelle approche, l’équipe de recherche a réussi à convertir une lumière infrarouge d’une longueur d’onde d’environ 1550 nm en une lumière visible de 622 nm. L’onde lumineuse résultante peut être détectée à l’aide de caméras traditionnelles à base de silicium.
Le professeur associé Varun Raghunathan, du département de génie électrique et de communication (ECE) et auteur correspondant de l’étude, précise : «Ce processus est cohérent – les propriétés du faisceau d’entrée sont préservées à la sortie. Cela signifie que si l’on imprime un motif particulier dans la fréquence infrarouge d’entrée, il est automatiquement transféré à la nouvelle fréquence de sortie.»
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L’utilisation du séléniure de gallium présente un avantage majeur : sa forte non-linéarité optique. Cette propriété permet à un seul photon de lumière infrarouge et un seul photon du faisceau de pompage de se combiner pour produire un seul photon de lumière à fréquence convertie.
L’équipe a réussi à obtenir cette conversion de fréquence avec une couche de séléniure de gallium de seulement 45 nm d’épaisseur. Cette taille réduite rend le dispositif plus économique que les appareils traditionnels utilisant des cristaux de plusieurs centimètres. Ses performances se sont également révélées comparables à celles des systèmes d’imagerie par conversion de fréquence les plus avancés actuellement.
Les chercheurs envisagent d’étendre leurs travaux à la conversion de lumière de longueurs d’onde plus longues. Ils s’efforcent également d’améliorer l’efficacité du dispositif en explorant d’autres géométries d’empilement.
Le professeur Raghunathan conclut : «Il existe un grand intérêt mondial pour l’imagerie infrarouge sans utiliser de capteurs infrarouges. Nos travaux pourraient changer la donne pour ces applications.»
Légende illustration : L’auteur principal Jyothsna KM alignant des faisceaux optiques pour des expériences de conversion ascendante. Photo – Harinee Natarajan, IISc.
