Kısa Dalga Boylu Kızılötesi Fotodedektör (SWIR)
Atmosferin iletim özelliklerine göre, atmosferik pencere aşağıdaki üç bölüme ayrılmaktadır: kısa dalga boylu kızılötesi (SWIR), orta dalga boylu kızılötesi (MWIR) ve uzun dalga boylu kızılötesi (LWIR). Bunlar arasında, 1-3 µm dalga boyu aralığına sahip SWIR benzersiz ve mükemmel özellikler sergilemektedir. Görünür ışığa kıyasla, SWIR ışığı zorlu hava koşullarında (gece, sis ve toz gibi) daha iyi bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir. MWIR ve LWIR ışığının aksine, SWIR ışığı yansıyan ışık görünür ışığa daha yakın ve diğer kızılötesi dalga boylarından daha uzak olduğu için yüksek çözünürlüklü doğal görüntüler üretebilmektedir. Daha da önemlisi, ilgili cihazlar soğutma olmadan oda sıcaklığında çalışabilmektedir, bu da termal görüntüleme söz konusu olmadığından ekipmanın maliyetini ve boyutunu düşürmek için faydalıdır.
Şekil 1. Dalga boyuna karşı atmosferik geçirgenlik
Bu alanda, ilk pratik uygulama 1940’taki PbS tabanlı SWIR fotodedektörüdür ve tepki dalga boyu 2500 nm’ye ulaşmıştır. 1970’lerde kızılötesi alan dizisi görüntüleme teknolojisi ortaya çıkmaya başlamıştır. Moleküler Işın Epitaksisi (MBE) ve Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) gibi önemli büyütme yöntemlerinin gelişmesiyle en yaygın kullanılan InGaAs SWIR fotodedektöre dayalı görüntüleme çözünürlüğü 1920 × 1280’e ulaşmıştır. Ek olarak, optik fiber iletişim teknolojisinin yükselişi, SWIR fotodedektörlerin gelişimini daha da teşvik etmiştir.
SWIR’ın Çalışma Dalga Boyu Aralığı
Şekil 2. Elektromanyetik spektrum ve spektrumdaki bölgelerin uygulama alanları
Kısa dalga kızılötesi (SWIR) ışık genellikle 0,9 – 1,7 μm dalga boyu aralığındaki ışık olarak tanımlanmaktadır, ancak 0,7 – 2,5 μm arasında da sınıflandırılabilmektedir. Geleneksel saf Si tabanlı fotodedektörler, bant aralığı (1,12 eV) sınırlamaları nedeniyle SWIR tespiti için uygun değildir. Bu nedenle, InGaAs, Ge, InAs ve HgCdTe dahil olmak üzere çok sayıda uzun spektruma sahip (yani dar aralıklı) yarıiletken malzemeler uzun süredir araştırılmaktadır ve geniş endüstri uygulamalarına sahiptir. Bunların arasında InGaAs fotodedektörleri, tipik SWIR aralığını kapsayan, 550-2500 nm kadar geniş aralıklara kadar uzanabilen SWIR görüntülemede kullanılan birincil fotodedektörlerdir.
SWIR Fotodedektör Çalışma Prensibi
Fotodedektör, bir elektromanyetik dalga sinyalini (foton) elektrik sinyaline (akım veya voltaj gibi) dönüştüren aygıttır. Fotodedektörlerin temel çalışma prensibi yarıiletkenlerdeki foton soğurma sürecine dayanmaktadır. Aşağıdaki şekilde bir yarıiletkende foton soğurma diyagramı gösterilmektedir.
Şekil 3. Yarıiletkende foton soğurma diyagramı
Yarıiletkenin bant aralığına eşit veya daha büyük enerjiye sahip bir foton, VB’de bir elektron tarafından absorblanmakta ve absorbe edilen bu elektron CB’de hareket ederek, arkasında bir boşluk bırakmaktadır. Böylece, termal denge değerlerinin üzerinde bir fazla elektron-boşluk çifti oluşmaktadır. Bu taşıyıcıları toplamak için bir pn bağlantısından oluşan fotodedektör yapısı kullanılabilmektedir. P tipi bölge ve n tipi bölgenin temas ettiği bölgede n (p) tipi malzemedeki çoğunluk taşıyıcıları p (n) bölgesine hareket etmektedir. Tükenme bölgesi oluşmaktadır ve içsel elektrik alanın yönü tükenme bölgesinde elektronların hareket ettiği yöne doğrudur. P tipi bölgeye negatif uç, n tipi bölgeye pozitif uç bağlanarak voltaj uygulanmaktadır. P (n) tipi bölgeye negatif (pozitif) uç bağlanmasıyla çoğunluk taşıyıcısı olan boşluklar (elektronlar) voltaj uygulanan terminale doğru hareket etmektedir ve böylece zıt yönlerde fazla elektron ve boşluk oluşmasını sağlamaktadır. Uygulanan voltaj değeri arttırıldığında bir kırılma değerine ulaşmaktadır, böylece yapıdan akım geçmektedir.
SWIR’ın Avantajları
SWIR, fotonların bir nesne tarafından yansıtılması veya absorblanması ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme için gereken güçlü çözünürlüğü sağlamaktadır. SWIR görüntüleme sistemleri görünür sistemlerle hemen hemen aynı şekilde çalışmaktadır. SWIR ışığı insan gözü için görünmezdir. Bu nedenle, görünür ışık ve görünür kameralarla ayırt edilmesi zor veya çok imkânsız olan nesneleri belirli özellikleri sayesinde tespit edebilmektedir.
SWIR bandında görüntülemenin sunduğu avantajlardan biri SWIR ışığının atmosferik sis, pus veya dumandan etkilenmeyişidir. Atmosferik sis, pus veya duman tarafından saçılmaya karşı hassas olan görünür ışığın aksine, SWIR ışığı mikron altı parçacıklardan Rayleigh saçılması olmadan geçmektedir. Rayleigh saçılımı, daha uzun dalga boylarında daha az meydana geldiğinden, kızılötesi ışık saçılmaya uğramadan sis, toz, pus gibi etmenlerden etkilenmeden geçebilmektedir. Bu sayede SWIR fotodedektörler sert hava koşullarında bile uzun menzilli ve yüksek çözünürlüklü doğal görüntüler üretebilmektedir çünkü SWIR bandında yansıyan ışık görünür ışığa daha yakın ve diğer kızılötesi dalga boylarından daha uzaktır.
SWIR Uygulama Alanları
Aktif Görüntüleme ve Gelişmiş Görüş Desteği
Şekil 4. Sisli havada normal kamera ve SWIR kamera ile görüntüleme
Aktif SWIR görüntüleme, görünmez lazer aydınlatması ve geçitli görüntüleme kullanımı nedeniyle uzun menzilli keşif ve gözetleme için idealdir. SWIR fotodedektör ile kızılötesi dalga boyuna ilerledikçe daha az saçılma nedeniyle pus, sis, yağmur, sis ve diğer zorlu atmosfer koşullarında daha yüksek kontrastlı görüntüler üretilebilmektedir. SWIR kameralar daha sonra otomotiv, havacılık, güvenlik ve gözetim uygulamalarında aktif görüntüleme ve gelişmiş görüş yardımı için kullanılmaktadır.
Gıda Sınıflandırma
Şekil 5. Göz ve SWIR görüntüleme ile tuz, şeker ve karbonat ayrımı
SWIR, tarım, gıda denetimi ve ormancılık uygulamaları için faydalı olabilecek malzemedeki su içeriğini aramak için de kullanılabilmektedir. Su içeren herhangi bir nesne, SWIR dalga boylarını iki ana emilim çizgisinden birinde (biri yaklaşık 1.45 mikron, diğeri ise 1.8 mikrona yakın) güçlü bir şekilde absorbe edecektir. SWIR görüntüleme nem içeren nesnelerin görünürlüğünü artırmaktadır. Sıkça kullanılan bir örnek tuz ve şekerdir. Her ikisi de görünür ışıkta bakıldığında küçük beyaz kristallerdir, ancak SWIR’da oldukça farklı yansıtıcı özelliklere sahiptirler.
Güneş Paneli Kalite Denetimi
Şekil 6. SWIR görüntüleme ile güneş paneli denetimi
SWIR görüntüleme sistemleri için bir diğer uygulama da güneş paneli denetimidir. Daha sürdürülebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönelik talep arttığı için güneş panellerinin kullanımında da önemli bir artış görülmüştür. SWIR bir güneş hücresindeki ölü noktaları veya zayıf alanları belirlemek ve hücrenin etkinliğini kanıtlamaya yardımcı olmak için kullanılabilmektedir. Genel olarak, SWIR kalite denetimi için kullanılabilmektedir.
Tıbbi Uygulamalar
Şekil 7. Farelerde beyin damar sisteminin (a) NIR ve (b) SWIR görüntüleri
SWIR bandında görüntüleme canlı organizmaların biyolojik süreçlerinin derinlikli incelenebilmesine de olanak sağlamaktadır. İnsan kemiklerinin SWIR bandında şeffaf özelliğe sahip oluşu, bir aydınlatma kaynağı kullanılarak insan vücudundaki mikrovasküler sistemleri gözlemlenebilir kılmaktadır. Son çalışmalar, SWIR görüntülemenin hayati belirtilerin temassız izlenmesi, mikrovasküler kan akış haritalarının oluşturulması, gerçek zamanlı metabolik görüntüleme ve moleküler hedefli görüntüleme dahil olmak üzere benzeri görülmemiş görüntüleme fırsatları sağladığını göstermiştir.
Genişletilmiş Dalga Boylu Kızılötesi Fotodedektör
InP alttaşa örgü uyumlu InxGa1-xAs (x=0.53) fotodedektörlerin gece görüşü için yaygın olarak kullanılırken, genişletilmiş dalga boyuna sahip fotodedektörler SWIR aralığında ∼1.7 μm’nin ötesinde görüntülemeye izin vermemektedir. Hiper spektral görüntüleme de dahil olmak üzere, 2 μm’nin üzerinde kesme dalga boyları gerektiren çok sayıda uygulama vardır. HgCdTe yarıiletken malzemesi, SWIR bandında çalışan fotodedektörler için kullanılmaktadır. II-VI HgCdTe fotodedektörlerin üretim maliyeti, bu dedektörlerin büyütülmesinin ve işlenmesinin göreceli olarak zorluğu nedeniyle genellikle III-V muadilleri üzerindeki çalışmalar yoğunlaşmıştır. InxGa1-xAs (x∼0.8), 2.5 μm’nin üzerinde kesme dalga boylu algılama teknolojileri için uygun görünse de bu bileşimde hem GaAs hem de InP ile büyük örgü uyumsuzluğu, fotodedektör özelliklerinde kristal kalitesinin bozulması nedeniyle ciddi performans düşüşlerine neden olmakta ve fotodedektör için ana sorun haline gelmektedir. Bu nedenle, genişletilmiş dalga boylu InxGa1-xAs fotodedektörler üzerindeki araştırma çalışmaları, örgü uyumlu InxGa1-xAs SWIR dedektörlerle karşılaştırıldığında sınırlı kalmıştır.
CÜNAM’ın Projeleri
CÜNAM, kısa ve genişletilmiş dalga boyuna sahip kızılötesi fotodedektör teknolojileri alanında yüksek kristal kalitesine sahip InGaAs tabanlı fotodedektör kristalini büyüten ve Ar-Ge çalışmaları yapan Türkiye’nin en köklü merkezlerinden biridir. Ayrıca, ülkemizdeki ilk kurulan As/P tabanlı MOVPE sistemine sahiptir.
Savunma Sanayi Müsteşarlığı tarafından desteklenen KANGAL Projesi kapsamında ASELSAN, ODTÜ ve CÜNAM’ın önemli katkılarıyla yürütülen Ar-Ge faaliyetleri ile başlayan çalışmalar, ASELSAN bünyesinde başarılı dedektör prototiplerinin geliştirilmesiyle sonuçlanmıştır. Şekilde CÜNAM bünyesinde üretilen SWIR kristallerinden alınan kamera görüntüsü verilmiştir. Böylece ülkemiz SWIR dedektör üretimine yönelik önemli bir bilgi birikimi ve teknoloji kazanmıştır. CÜNAM 2020 yılında ASELSAN destekli “Kısa Dalgaboyu Kızılötesi (SWIR) Epikatman Geliştirilmesi” projesine başlamış ve bu proje kapsamında üretilecek SWIR epikatmanlarının geliştirilerek dedektör performansının iyileştirilmesi hedeflenmiştir.
Şekil 8. CÜNAM bünyesinde üretilen SWIR kristallerinden üretilen alınan kamera görüntüsü
KAYNAKLAR
Cao, F., Liu, L., & Li, L. (2023). Short-wave infrared photodetector. Materials Today, 62, 327-349.
https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/imaging/what-is-swir/?srsltid=AfmBOorHGBRnnbxFEFRzlcR8IbxN9MDA3NDLjhqIvcO6i7XJZ2FdsM1S
Arslan, Y., Oguz, F., & Besikci, C. (2015). Extended wavelength SWIR InGaAs focal plane array: Characteristics and limitations. Infrared Physics & Technology, 70, 134-137.
https://nedinsco.com/technologies/swir-camera-technology/
https://new-imaging-technologies.com/news/galaxy-in-swir-beauty/page/2/?et_blog
Salimi, M., Roshanfar, M., Tabatabaei, N., & Mosadegh, B. (2023). Machine Learning-Assisted Short-Wave InfraRed (SWIR) Techniques for Biomedical Applications: Towards Personalized Medicine. Journal of Personalized Medicine, 14(1), 33.