38 Schichten, kein Stromanschluss: Neuer Wandler macht unsichtbares Licht sichtbar

Ein Gesicht auf einem 20-Euro-Schein, das mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist: Forschende der Universität Hasselt und des belgischen Forschungszentrums imec haben ein ultradünnes Bauteil entwickelt, das Bilder im nahen Infrarotbereich in sichtbares grünes Licht umwandelt. Eine gewöhnliche Kamera kann das umgewandelte Bild anschließend aufnehmen. Eine externe Spannungsversorgung benötigt der Wandler dafür nicht.

Das Besondere ist vor allem die geringe benötigte Lichtintensität. Nach Angaben des Forschungsteams arbeitet das Bauteil bereits ab einer Nahinfrarot-Intensität von 9 µW/cm² im linearen Bereich. Das sind mehr als 4000-mal weniger als bei bisherigen stromlosen Upconverter-Filmen mit vergleichbar hoher Umwandlungseffizienz. Die Ergebnisse sind in Communications Materials erschienen.

Fünf Fotodetektoren treiben eine OLED an

Hinter dem Wandler steckt ein Aufbau aus insgesamt 38 ultradünnen organischen Schichten. Entscheidend sind fünf organische Nahinfrarot-Photodetektoren, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Jeder einzelne Detektor erzeugt aus dem auftreffenden Infrarotlicht eine Photospannung. Durch die Reihenschaltung addieren sich diese Spannungen. Gemeinsam liefern die fünf Detektoren genügend Spannung, um eine darüber angeordnete organische Leuchtdiode, kurz OLED, anzutreiben. Eine externe elektrische Spannung ist dafür nicht erforderlich.

Die OLED emittiert grünes Licht mit einem Maximum bei etwa 530 nm. Dieses Licht liegt mitten im sichtbaren Spektrum und kann deshalb auch von preiswerten konventionellen Kamerasensoren aufgenommen werden.

Das Prinzip unterscheidet sich damit grundlegend von einer klassischen Infrarotkamera. Statt das unsichtbare Signal mit einem speziellen Kamerasensor direkt zu erfassen, wandelt die dünne Schicht das Nahinfrarotbild zunächst optisch in ein sichtbares Bild um.

Wandler arbeitet schon bei 9 µW/cm²

Eine zentrale Herausforderung solcher Systeme ist bislang die benötigte Lichtmenge. Viele passive Verfahren zur sogenannten Upconversion funktionieren erst bei vergleichsweise hohen Strahlungsintensitäten oder reagieren nicht linear auf unterschiedliche Helligkeiten.

Der neue Wandler erreicht dagegen bereits ab 9 µW/cm² einen Bereich, in dem die Intensität des erzeugten grünen Lichts proportional zur auftreffenden Nahinfrarotstrahlung zunimmt. Dieser lineare Bereich erstreckt sich über mehr als drei Größenordnungen. Die maximale externe Upconversion-Effizienz beträgt nach Messungen der Forschenden 1,9 %. Dabei wird berücksichtigt, wie viele sichtbare Photonen das Bauteil im Verhältnis zu den auftreffenden Nahinfrarotphotonen tatsächlich nach außen abgibt.

Das System verarbeitet Nahinfrarotstrahlung bis zu einer Wellenlänge von etwa 835 nm. Es handelt sich deshalb ausdrücklich nicht um eine Wärmebildtechnik: Langwellige Wärmestrahlung, wie sie beispielsweise bei der Thermografie von Gebäuden genutzt wird, kann das Bauteil nicht sichtbar machen.

Warum das keine Wärmebildkamera ist

• Nahinfrarot (NIR): Der neue Wandler reagiert auf Licht bis etwa 835 nm – knapp außerhalb des für Menschen sichtbaren Spektrums.
• Wärmebildkameras: Sie erfassen deutlich längerwellige Infrarotstrahlung, die Körper aufgrund ihrer Temperatur abstrahlen.
• Der neue Wandler: Er wandelt vorhandenes Nahinfrarotlicht in sichtbares grünes Licht um, das eine gewöhnliche Kamera aufnehmen kann.
• Keine Thermografie: Temperaturverteilungen an Gebäuden, Maschinen oder Menschen kann das Bauteil nicht darstellen.
• „Ohne Strom“ gilt nur für den Wandler: Die Kamera und gegebenenfalls eine künstliche NIR-Beleuchtung benötigen weiterhin elektrische Energie.

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Smartphone-Kamera erkennt das umgewandelte Bild

Dass der Ansatz tatsächlich für Bildgebung funktioniert, demonstrierte das Team mit mehreren Versuchen. Ein Smartphone nahm das vom Wandler erzeugte grüne Licht auf. Der im Smartphone vorhandene Infrarot-Sperrfilter verhinderte dabei, dass das ursprüngliche Nahinfrarotlicht direkt auf den Sensor gelangte. Die Kamera sah somit tatsächlich das vom Bauteil erzeugte sichtbare Bild.

In einem weiteren Versuch durchleuchteten die Forschenden einen 20-Euro-Schein mit Nahinfrarotstrahlung. Im umgewandelten Bild erschienen Details eines Sicherheitsmerkmals, darunter das Gesicht der mythologischen Figur Europa sowie feine Linien und Guilloche-Muster, die im normalen Bild nicht in gleicher Weise sichtbar sind.

Auch biologische Strukturen ließen sich abbilden. Bei einer Blattlaus machte die Nahinfrarotaufnahme Strukturen unterhalb der Körperoberfläche sichtbar. Das Team sieht darin grundsätzlich Potenzial für biomedizinische Anwendungen.

Foto: Universität Hasselt

Perspektive für Sensoren ohne eigene Stromversorgung

Interessant könnte das Verfahren insbesondere dort werden, wo konventionelle Nahinfrarotkameras zu teuer oder energieaufwendig sind. Die Forschenden nennen unter anderem Landwirtschaft, Waldüberwachung und die Kontrolle abgelegener Infrastruktur.

Denkbar wären beispielsweise kompakte Sensoren, die Eigenschaften von Pflanzen oder Materialien über deren Nahinfrarot-Signatur erfassen und das Ergebnis für einen gewöhnlichen Silizium-Kamerasensor sichtbar machen. Auch medizinische Anwendungen wie optisch ausgelesene Implantate diskutiert das Team. Solche Anwendungen sind allerdings noch Zukunftsmusik und wurden mit dem aktuellen Bauteil nicht klinisch demonstriert.