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微小的晶体薄膜可以让夜视成为现实

2021-07-13 17:48:13 中国航空报 杨小莉

对于看过很多动作片或者玩过《使命召唤》的人来说,一定不会对这样的景象感到陌生:在一个幽灵般绿色的画面中,看不见的物体变得可见。自从上世纪60年代中期第一台夜视仪问世以来,这项技术就引发了大众的想象。

夜视镜、红外摄像机和其它类似的设备能检测从物体反射的红外光,或者更确切地说是检测物体因为含有热量而发出的红外光。如今,这些设备不仅被军方广泛使用,还被执法和紧急服务、安全和监控行业、猎人和露营爱好者广泛使用。

但当前的技术并非没有问题。商用红外摄像机阻挡可见光,干扰了正常的视野,这种装置体积庞大且笨重,需要冷却(在某些情况下甚至需要低温冷却)才能工作。

澳大利亚的的研究人员发明了一项新技术,利用超薄的纳米晶体层使红外光变得可见,解决了当前设备长期存在的许多问题。该研究发表在《先进光子学》(Advanced Photonics)期刊上。研究人员的最终目标是制造一种可以放置在眼镜或其他镜片上的轻质薄膜层,由一个微型内置激光器驱动,使人们在黑暗中也能看见东西。

传统的红外探测

商用红外摄像机将红外光转换为电信号,然后显示在显示屏上。由于红外光的能量和频率较低,因此它们需要低温才能运行。这使得传统的红外探测器体积庞大且笨重——一些安全人员报告说,由于经常使用夜视镜,造成了慢性颈部损伤。

当前技术的另一个缺点是它阻碍了可见光的传输,从而扰乱了正常的视觉。在某些情况下,红外图像可以被发送到显示器,而不影响正常的视觉。然而,当用户在移动时,这种解决方案并不可行。

全光替代方案

还有一些不涉及电信号的全光替代方案。在这些方案中,仪器能直接将红外光转化为可见光从而被眼睛或照相机识别。这些技术的工作原理是在一种被称为“非线性晶体”的材料中,将入射的红外光与一束强光源( 一束激光束)相结合,然后晶体发出可见光谱的光。

然而,非线性晶体体积庞大,价格昂贵,而且只能探测到红外波段较窄的光。新的研究工作完善了这种全光方法。研究人员用精心设计的纳米晶层来代替非线性晶体。这些纳米晶层被称为“超表面”,它们是超薄、超轻,可以通过调整来控制通过它们的光的颜色或频率。这使得超表面成为将红外光子转换为可见光的有吸引力的平台。重要的是,透明的超表面可以实现红外成像,同时允许正常视觉。

研究团队开始展示超表面的红外成像。他们设计了一个由数百个半导体砷化镓制成的极其微小的晶体天线组成的超表面。这个超表面被设计成在一定的红外频率、激光频率和可见光输出下通过共振放大光。然后我们制造了超表面并将其转移到透明玻璃上,在玻璃表面形成一层纳米晶体。

为了测试这个超表面,研究人员用目标的红外图像照亮它,看到红外图像被转换成可见的绿色图像。他们对不同位置的目标以及没有任何目标进行了测试——这样可以看到超表面本身的绿色发光。在获得的图像中,深色条纹对应的是红外目标,被绿色可见发射物包围。尽管红外图像的不同部分被转移到了超表面的独立纳米晶体上,但图像在可见光下得到了很好的再现。虽然实验只是一个概念证明,但这项技术原则上可以做很多传统系统无法做到的事情,比如更广的视角和多色红外成像。

超表面在新技术中的发展前景

由于除了夜视之外的广泛应用,对人眼看不见的红外光的探测需求不断增长,这项技术可用于农业行业,帮助监测和维持食品质量控制,也可用于遥感技术,如激光雷达(LIDAR)——一种帮助绘制自然和人造环境地图的技术。

在更广泛的背景下,利用超表面来探测、生成和操纵光的技术正在蓬勃发展。利用超表面的力量将使我们更接近实时全息显示、自主系统的人工视觉和基于超快光的wifi等技术。

责任编辑:实习编辑