Physik Lausanner Forscher entwickeln Gerät, das Infrarot sichtbar macht

Ein internationales Forscherteam unter Leitung der ETH Lausanne (EPFL) hat ein Gerät entwickelt, das Infrarotlicht in sichtbares Licht umwandelt. Das eröffnet Möglichkeiten nicht nur in der Wärmebildtechnik, sondern auch für die chemische oder biologische Analyse.

Bei niedrigen Frequenzen – Infrarot und darunter – reicht die vom Licht transportierte Energie nicht aus, um die Photorezeptoren in unseren Augen und in vielen anderen Sensoren auszulösen. Das ist ein Problem, weil bei Frequenzen unterhalb von 100 Terahertz (THz), dem mittleren und fernen Infrarotspektrum, eine Fülle von Informationen verfügbar ist.

Ein Körper mit einer Oberflächentemperatur von 20 Grad Celsius sendet beispielsweise Infrarotlicht bis zu 10 THz aus, das mit Wärmebildern «gesehen» werden kann. Auch chemische und biologische Substanzen weisen im mittleren Infrarot deutliche Absorptionsbanden auf, so dass wir sie mit Hilfe der Infrarotspektroskopie aus der Ferne zerstörungsfrei identifizieren können, was unzählige Anwendungsmöglichkeiten bietet.

Ein Durchbruch

Wissenschaftler der EPFL, des Wuhan Institute of Technology, der Polytechnischen Universität Valencia und des AMOLF in den Niederlanden haben nun eine neue Methode entwickelt, um Infrarotlicht zu erkennen, indem sie seine Frequenz in die des sichtbaren Lichts ändern. Das Gerät kann die «Sichtweite» allgemein verfügbarer und hochempfindlicher Detektoren – etwa in Handys – für sichtbares Licht weit in den Infrarotbereich hinein erweitern.

«Die Frequenzumwandlung ist keine leichte Aufgabe», schreibt die EPFL in einer Mitteilung vom Freitag. Die Frequenz des Lichts sei eine Grundschwingung, die sich aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht einfach ändern lasse, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektiert oder es durch ein Material leitet.

Die Forscher lösten das Problem, indem sie dem Infrarotlicht mit Hilfe eines Vermittlers Energie hinzufügten: winzige schwingende Moleküle. Das Infrarotlicht wird auf die Moleküle gelenkt, wo es in Schwingungsenergie umgewandelt wird. Gleichzeitig trifft ein Laserstrahl mit höherer Frequenz auf dieselben Moleküle, um die zusätzliche Energie zu liefern und die Schwingungen in sichtbares Licht umzuwandeln.

Um den Umwandlungsprozess zu verstärken, werden die Moleküle zwischen metallischen Nanostrukturen eingebettet, die als optische Antennen fungieren und das Infrarotlicht und die Laserenergie auf die Moleküle konzentrieren.

Noch nicht ganz marktreif

«Das neue Gerät hat eine Reihe attraktiver Eigenschaften», sagte Professor Christophe Galland von der School of Basic Sciences der EPFL, der die in «Science» veröffentlichte Studie leitete. Beispielsweise, weil alle im ursprünglichen Infrarotlicht vorhandenen Informationen getreu auf das neu erzeugte sichtbare Licht abgebildet werden. Dies ermögliche hochauflösende Infrarotspektroskopie mit Standarddetektoren, wie sie in Handykameras zu finden sind.

Noch sei die Lichtumwandlungseffizienz des Geräts sehr gering, gibt Wen Chen, Erstautor der Arbeit, zu bedenken. «Wir konzentrieren uns jetzt darauf, ihn weiter zu verbessern» – ein wichtiger Schritt in Richtung kommerzieller Anwendungen.