Op weg naar een nieuw type infraroodcamera
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben een belangrijke stap gezet op weg naar een nieuw type infraroodcamera. Het hart van hun systeem is een gaslaagje dat ze kortstondig met een laser beschijnen, waardoor het zeer gevoelig wordt voor infraroodstraling. Daarbij hoeft het systeem niet te worden gekoeld. Het systeem gebruikt dus geen film, maar een gas om te belichten. De onderzoekers, dr. Marcel Drabbels1) en dr. Bart Noordam, hebben over hun vinding op 29 maart gepubliceerd in het Amerikaanse vaktijdschrift Applied Physics Letters.
Conventionele infraroodcamera's, bijvoorbeeld gebruikt voor het meten van temperatuurverschillen tussen objecten of voor het registreren van infrarode straling van sterren, hebben twee grote nadelen. Ze zijn langzaam en ze zijn gevoelig voor een breed golflengtegebied. Ze vereisen dus relatief lange belichtingstijden en ze kunnen niet goed kleuren zien in het infrarood. Met het nieuwe systeem kan aan deze nadelen een eind worden gemaakt.
Het hart van het systeem wordt gevormd door een dun laagje gas dat dient als fotokathode. Het gas kan bestaan uit bijvoorbeeld cesiumatomen. De buitenste elektronen van die atomen kunnen door een ultravioletlaser precies die hoeveelheid energie toegevoerd krijgen dat ze korte tijd een heel langgerekte baan om hun atoomkern gaan beschrijven. Een atoom in zo'n situatie heet een Rydbergatoom. Met een beetje extra energie kunnen de elektronen in kwestie uit het atoom worden verwijderd. Die energie wordt geleverd door infrarode straling. Wanneer het elektron vertrekt wordt het atoom elektrisch geladen. In het 'camerasysteem' trekt een elektrisch veld het nu geladen atoom uit het gaslaagje weg en versnelt het naar een schermpje van fosfor, waar het inslaat en een lichtflitsje afgeeft. Dat flitsje wordt geregistreerd door een CCD-camera en zo ontstaat een afbeelding.
Zeer kort belichten en kleuren zien
Experimenten van de Amsterdamse onderzoekers hebben laten zien dat deze manier van afbeelden werkt. Het systeem kan een sluitertijd van 10 nanoseconden halen. Mechanische systemen komen op hun best in de buurt van 1 milliseconde. Het nieuwe systeem kan wat dat betreft dus werken met een belichtingstijd die 100.000 keer korter is. Dat is van groot belang voor het vastleggen van zeer snel verlopende processen en grote winst ten opzichte van conventionele infraroodcamera's.
Aan het onderscheiden van afzonderlijke golflengten kan ook wat gedaan worden. Door de waarde van het aangelegde elektrische veld te variëren kunnen Rydbergatomen in afzonderlijke toestanden worden gebracht. In sommige van die toestanden nemen de elektronen energie van alle golflengten op, in andere toestand alleen maar energie van bepaalde golflengten. Dat laatste geval is te vergelijken met fotograferen door een kleurfilter. Het systeem kan dus kleuren onderscheiden. Het blijft gevoelig voor een breed golflengtegebied, namelijk tussen 1,06 en 100 micrometer. Het ruimtelijk oplossend vermogen, dus het onderscheiden van details, is nog niet geweldig: 300 micrometer bij een golflengte van 1,06 micrometer.
Een nadeel van het nieuwe systeem ten opzichte van de beste conventionele technologie is de lichtgevoeligheid. Die zal tussen 1 en 10 micrometer nooit zo goed zijn als wat nu al haalbaar is.
Het onderzoek is er daarom ook op gericht een middenweg te realiseren tussen de voordelen en de nadelen van het nieuwe systeem.
Toekomst
Eén van de mogelijke toepassingen ligt in de sterrenkunde. Door het kiezen van de juiste Rydbergtoestand zal het bijvoorbeeld eenvoudiger worden om een infrarode stralingsbron aan de hemel te onderscheiden van de achtergrondstraling.
Het onderzoek wordt mede gefinancierd door de technologiestichting STW en Seed Capital Investments. Dit bedrijf investeert in veelbelovende technologische ontwikkelingen. De onderzoekers hebben twee patenten op hun werk en ze praten op dit moment met verscheidene bedrijven over commercialisering van hun prototype.
Voor nadere informatie kan men contact opnemen met dr. Bart Noordam, FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34, email noordam@amolf.nl.
_________________________
1) Dr. Marcel Drabbels werkt sinds kort bij de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland.