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Jan 04, 2024

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Nature volume 618, páginas 281–286 (2023)Cite este artigo 12k Acessos 99 Altmetric Metrics detalhes A detecção de campo de luz mede a intensidade dos raios de luz e sua direção precisa em condições livres

Nature volume 618, páginas 281–286 (2023)Cite este artigo

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99 Altmétrico

Detalhes das métricas

A detecção de campo de luz mede a intensidade dos raios de luz e sua direção precisa no espaço livre. No entanto, as técnicas atuais de detecção de campo de luz requerem arranjos complexos de microlentes ou estão limitadas às faixas de comprimento de onda da luz ultravioleta-visível . Aqui apresentamos um método robusto e escalável baseado em matrizes de nanocristais de perovskita padronizadas litograficamente que podem ser usadas para determinar vetores de radiação de raios X à luz visível (0,002–550 nm). Com essas matrizes de nanocristais multicoloridas, os raios de luz de direções específicas podem ser convertidos em saídas coloridas pixeladas com uma resolução angular de 0,0018°. Descobrimos que a detecção tridimensional do campo de luz e o posicionamento espacial das fontes de luz são possíveis modificando matrizes de nanocristais com orientações específicas. Também demonstramos imagens de objetos tridimensionais e imagens de contraste de fase de luz visível e raios X, combinando matrizes de nanocristais pixeladas com um dispositivo colorido de carga acoplada. A capacidade de detectar a direção da luz além dos comprimentos de onda ópticos através da codificação de contraste de cores poderia permitir novas aplicações, por exemplo, em imagens tridimensionais de contraste de fase, robótica, realidade virtual, imagens biológicas tomográficas e navegação autônoma por satélite.

Os avanços nos materiais e nos processos de semicondutores revolucionaram o design e a fabricação de micro e nanofotodetectores. Mas os pixels da maioria dos sensores detectam apenas a intensidade das ondas eletromagnéticas. Como resultado, todas as informações de fase dos objetos e das ondas de luz difratadas são perdidas . Embora a informação de intensidade por si só seja suficiente para aplicações convencionais, como fotografia bidimensional e imagens de microscopia, esta limitação dificulta aplicações de imagens tridimensionais (3D) e quadridimensionais, incluindo imagens de contraste de fase, detecção e alcance de luz, veículos autônomos, sistemas virtuais realidade e exploração espacial11,12,13,14,15,16,17,18,19. Um conjunto óptico de microlentes ou cristais fotônicos com fotodiodos pixelados é geralmente usado para medir o campo de luz ou a distribuição das direções da luz e, assim, caracterizar a informação de fase. No entanto, a integração desses elementos em arquiteturas complementares de semicondutores de óxido metálico é cara e complexa . As ressonâncias ópticas em estruturas semicondutoras de comprimento de onda permitem o desenvolvimento de estruturas sensíveis ao ângulo, manipulando as interações luz-matéria . Porém, a maioria deles depende do comprimento de onda ou polarização e requer materiais com alto índice de refração29. Além disso, a detecção e o controle do vetor de luz estão atualmente limitados aos comprimentos de onda da luz ultravioleta e visível. Embora vários sensores que usam estruturas Shack-Hartmann ou Hartmann sejam capazes de medições de fase na faixa extrema de luz ultravioleta, as medições de fase de raios X duros e raios gama permanecem desafiadoras porque feixes de alta energia não podem ser focados usando espelhos convencionais ou microlentes . .

Devido à versatilidade da codificação de cores na visualização de dados, propusemos que a codificação de contraste de cores pudesse ser usada para visualizar as direções dos raios de luz. Para testar nossa hipótese, selecionamos nanocristais de perovskita inorgânica devido às suas excelentes propriedades optoeletrônicas . Eles também demonstram emissão altamente eficiente e ajustável com alta saturação de cores em todo o espectro visível sob irradiação de raios X ou luz visível. Além disso, os nanocristais de perovskita baseados em Sn podem ter bandas ópticas que se estendem até a região da luz infravermelha próxima . Um projeto fundamental para uma detecção de campo de luz 3D envolve padronizar litograficamente nanocristais de perovskita em um substrato transparente (Fig. 1a). Um sensor de campo de luz 3D pode então ser construído integrando o substrato de película fina padronizado com um dispositivo de carga acoplada (CCD) colorido que converte o ângulo dos raios de luz incidentes em uma saída de cor específica. A unidade básica do sensor de campo de luz 3D é um detector de azimute único composto por nanocristais de perovskita emissores multicoloridos. Quando a luz incidente atinge nanocristais padronizados, o ângulo de azimute α entre a luz incidente e o plano de referência pode ser detectado medindo a saída de cor da unidade básica (Fig. 1b). Especificamente, dois detectores de azimute dispostos perpendicularmente entre si podem realizar a detecção da direção da luz 3D e determinar o ângulo de azimute φ e o ângulo de elevação θ da luz incidente em coordenadas esféricas. Para determinar a posição absoluta de uma fonte de luz, três detectores de azimute podem ser dispostos para criar uma correlação entre os três ângulos de azimute correspondentes α1, α2 e α3 codificados nas saídas de cores.