Сделать инфракрасный свет видимым для человеческого глаза – очень важная задача, в частности, для приложений в области обработки изображений и зондирования. Основной проблемой является доступность соответствующих технологий детектирования: длинноволновые инфракрасные CCD камеры дороги, часто требуют охлаждения и их спектральные характеристики, пространственное разрешение и чувствительность сильно ограничены. Хотя сейчас и исследуются новые схемы, такие как однопиксельные камеры, это все равно создает высокий спрос на практичные схемы, которые эффективно преобразовывали бы излучение среднего и ближнего ИК диапазона в видимый диапазон, в котором дешевые CCD датчики высокой производительности уже широко доступны.
К настоящему моменту были изучены многие методы, в том числе тепловизионные, за счет нелинейной up-конверсии или фотохимической up-конверсии триплетными состояниями. Недавно удалось достичь высокой разрешающей способности двумерного преобразования изображений из инфракрасного в видимый диапазон при использовании нелинейной оптики. Повышение эффективности этого процесса может позволить использовать его не только для работы с изображениями, но и для спектрального анализа. В настоящее время установка генерирует изображения 200×1000 пикселей с квантовой эффективностью up-конверсии порядка 2×10-4. После оптимизации этот подход может стать серьезной альтернативой традиционным тепловым камерам.
Многие из существующих лазерных методов визуализации используют инфракрасное излучение, в том числе на основе генерации второй гармоники, генерации суммарной частоты и когерентного антистоксова комбинационного рассеяния и многие другие. Все эти методы, однако, требует использования мощных импульсных лазеров когерентного света. Желание использовать маломощные некогерентные источники света для визуализации легко объяснимо: например, так можно сделать реальными приборы ночного видения на основе up-конверсии. Кроме того, если сделать этот процесс специфическим по длине волны и с длинноволновым разрешением, можно будет получать и химическую информацию о визуализируемых объектах.
Предложенный недавно метод основан на простой концепции: изображение «красного» объекта (большая длина волны Л1) фокусируется собирающей линзой на нелинейный кристалл. На тот же кристалл попадают фотоны лазера с длиной волны Л2, после чего в кристалле происходит суммирование их частот, и образуется изображение с длиной волны 1/(1/Л1+1/Л2), меньшей, чем исходная Л1. Этот свет, проходя через вторую линзу, попадает на пространственный детектор, например, на CCD камеру. Основная концепция преобразования частоты в кристаллах ТФК приведена на рис. 1.
Эта методика использует две ключевых технологических разработки: использование нелинейных кристаллов периодически доменного титанил фосфата калия (ТФК) и включение в систему визуализации оптического резонатора для увеличения эффективности этого процесса. С 1990-х годов кристаллы ТФК использовались для преобразования света от маломощных лазеров на другие длины волн. Такие кристаллы имеют более высокий КПД преобразования по сравнению с обычными нелинейно-оптическими кристаллами, особенно для низкоэнергетических и визуализационных приложений.
Другим важным моментом этой методики является использование оптического резонатора, что повышает коэффициент усиления. Изображения объекта с использованием оптического резонатора улучшает выход up-конверсии на несколько порядков, поскольку свет колеблется в полости в течение нескольких периодов, пока его интенсивность не становится достаточно высокой, чтобы отобразиться на внешней CCD камере. Изображение формируется в кристаллах ТФК, а наибольшая эффективность up-конверсии достигается в плоскости изображения объектива.
Одним из возможных приложений этого метода является «химическая визуализация», при которой up-конвертированный свет может быть спектрально разделен для получения химического информации. Это было бы особенно полезным в среднем ИК диапазоне, в котором лежат колебательные спектры, используемые для интерпретации присутствия химических веществ. Такое спектральное разделение фотонов снижает отношение сигнал-шум, однако, реальное применение может быть найдено только тогда, когда эффективность существенно возрастет. Этот метод может быть использован, например, чтобы различать мокрый и сухой образцы, поскольку свет, отраженный от мокрой поверхности, не должен содержать длины волн 3000-3800 см-1 (в то время как свет, отраженный от сухой поверхности, все равно должны содержать эти длины волн). Кроме того, если образец полимера содержит несколько компонентов, которые могут быть различены только по ИК спектрам, то процесс up-конверсии может помочь в интерпретации химического состава образца.
Улучшение чувствительности и спектрального диапазона этого метода up-конверсии действительно может дать нам возможность по-новому взглянуть на природу.