Image infrarouge d'un chercheur de la NASA. Cliquez pour agrandir
Le développement des détecteurs infrarouges a été une aubaine pour l'astronomie. La NASA a développé une alternative peu coûteuse aux détecteurs infrarouges précédents, qui pourraient trouver de nombreuses utilisations ici sur Terre. Le détecteur s'appelle un réseau de photodétecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP), et il pourrait rapidement détecter les incendies de forêt, détecter les fuites de gaz et avoir de nombreuses autres utilisations commerciales.
Un détecteur bon marché développé par une équipe dirigée par la NASA peut désormais voir la lumière infrarouge invisible dans une gamme de «couleurs» ou de longueurs d'onde.
Le détecteur, appelé réseau de photodétecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP), était le plus grand réseau infrarouge au monde (un million de pixels) lorsque le projet a été annoncé en mars 2003. C'était une alternative à faible coût à la technologie classique des détecteurs infrarouges pour une large gamme d'applications scientifiques et commerciales. Cependant, à l'époque, il ne pouvait détecter qu'une gamme étroite de couleurs infrarouges, ce qui équivaut à faire une photographie conventionnelle en noir et blanc. La nouvelle baie QWIP a la même taille mais peut désormais détecter l'infrarouge sur une large plage.
«La capacité de voir une gamme de longueurs d'onde infrarouges est une avancée importante qui augmentera considérablement les utilisations potentielles de la technologie QWIP», a déclaré le Dr Murzy Jhabvala du Goddard Space Flight Center de la NASA, Greenbelt, Maryland, chercheur principal pour le projet.
La lumière infrarouge est invisible à l'œil humain, mais certains types sont générés et perçus comme de la chaleur. Un détecteur infrarouge conventionnel possède un certain nombre de cellules (pixels) qui interagissent avec une particule de lumière infrarouge entrante (un photon infrarouge) et la convertissent en un courant électrique qui peut être mesuré et enregistré. Ils sont similaires en principe aux détecteurs qui convertissent la lumière visible dans un appareil photo numérique. Plus il y a de pixels pouvant être placés sur un détecteur d'une taille donnée, plus la résolution est élevée, et les matrices QWIP de la NASA représentent une avancée significative par rapport aux matrices QWIP antérieures de 300 000 pixels, auparavant les plus grandes disponibles.
Le détecteur QWIP de la NASA est une puce semi-conductrice en arséniure de gallium (GaAs) avec plus de 100 couches de matériau de détection sur le dessus. Chaque couche est extrêmement mince, allant de 10 à 700 atomes d'épaisseur, et les couches sont conçues pour agir comme des puits quantiques.
Les puits quantiques utilisent la physique bizarre du monde microscopique, appelée mécanique quantique, pour piéger les électrons, les particules fondamentales qui transportent le courant électrique, de sorte que seule la lumière avec une énergie spécifique puisse les libérer. Si la lumière avec la bonne énergie frappe l'un des puits quantiques du réseau, l'électron libéré circule à travers une puce séparée au-dessus du réseau, appelée lecture du silicium, où il est enregistré. Un ordinateur utilise ces informations pour créer une image de la source infrarouge.
Le réseau QWIP original de la NASA pouvait détecter la lumière infrarouge avec une longueur d'onde comprise entre 8,4 et 9,0 micromètres. La nouvelle version peut voir l'infrarouge entre 8 à 12 micromètres. Cette avancée a été possible car les puits quantiques peuvent être conçus pour détecter la lumière avec différents niveaux d'énergie en faisant varier la composition et l'épaisseur des couches de matériau du détecteur.
"La large réponse de ce réseau, en particulier dans l'infrarouge lointain - 8 à 12 micromètres - est cruciale pour la spectroscopie infrarouge", a déclaré Jhabvala. La spectroscopie est une analyse de l'intensité de la lumière à différentes couleurs d'un objet. Contrairement à une simple photographie qui montre simplement l'apparence d'un objet, la spectroscopie est utilisée pour recueillir des informations plus détaillées telles que la composition chimique, la vitesse et la direction du mouvement de l'objet. La spectroscopie est utilisée dans les enquêtes criminelles; par exemple, pour savoir si un produit chimique trouvé sur les vêtements d'un suspect correspond à celui d'une scène de crime, et c'est ainsi que les astronomes déterminent la composition des étoiles même s'il n'y a aucun moyen de prélever un échantillon directement, avec les étoiles à plusieurs milliers de milliards de kilomètres de distance.
Les autres applications des tableaux QWIP sont nombreuses. À la NASA Goddard, certaines de ces applications comprennent: l'étude des températures de la troposphère et de la stratosphère et l'identification des traces de produits chimiques; mesures du bilan énergétique de la canopée des arbres; mesurer l'émissivité des couches nuageuses, la taille, la composition et la hauteur des gouttelettes / particules; Émissions de SO2 et d'aérosols dues aux éruptions volcaniques; suivi des particules de poussière (du désert du Sahara, par exemple); Absorption de CO2; l'érosion côtière; gradients thermiques océaniques / fluviaux et pollution; analyser les radiomètres et autres équipements scientifiques utilisés pour obtenir la vérification au sol et l'acquisition des données atmosphériques; astronomie au sol; et sondage de température.
Les applications commerciales potentielles sont assez diverses. L'utilité des matrices QWIP dans l'instrumentation médicale est bien documentée (OmniCorder, Inc. en N.Y.) et pourrait devenir l'un des moteurs technologiques QWIP les plus importants. Le succès des technologies OmniCorder utilisant des matrices QWIP à bande étroite de 256 x 256 pour aider à la détection des tumeurs malignes est tout à fait remarquable.
D'autres applications commerciales potentielles pour les réseaux QWIP comprennent: l'emplacement des incendies de forêt et des points chauds résiduels; emplacement de l'empiètement indésirable de la végétation; surveiller la santé des cultures; surveiller la contamination, la maturité et la détérioration des aliments; localiser les défaillances des transformateurs de lignes électriques dans les zones reculées; surveiller les effluents des activités industrielles telles que les papeteries, les sites miniers et les centrales électriques; microscopie infrarouge; la recherche d'une grande variété de fuites thermiques et la recherche de nouvelles sources d'eau de source.
Les matrices QWIP sont relativement peu coûteuses car elles peuvent être fabriquées en utilisant la technologie standard des semi-conducteurs qui produit les puces de silicium utilisées partout dans les ordinateurs. Ils peuvent également être rendus très grands, car le GaAs peut être cultivé en gros lingots, tout comme le silicium.
L'effort de développement a été dirigé par l'Instrument Systems and Technology Center de la NASA Goddard. Le Laboratoire de recherche de l'Armée (ARL), Adelphi, Md., A joué un rôle déterminant dans la théorie, la conception et la fabrication de la matrice QWIP, et L3 / Cincinnati Electronics de Mason, Ohio, a fourni la lecture et l'hybridation du silicium. Ce travail a été conçu et financé par le Earth Science Technology Office en tant que projet de développement de la technologie des composants avancés.
Source d'origine: communiqué de presse de la NASA
