Nanocristalele și metasuprafețele ar putea revoluționa tehnologia vederii pe întuneric

Oricine a vizionat filme de acțiune sau a jucat Call of Duty este familiarizat cu o imagine verde, fantomatică, prin care obiectele invizibile ochiului uman devin vizibile.

Încă de la dezvoltarea primelor dispozitive de vedere nocturnă, de la mijlocul anilor 1960, tehnologia vederii pe timp de noapte a captat imaginația populară.

Ochelarii de vedere nocturnă, camerele cu infraroșu și alte dispozitive similare detectează radiaţia infraroșie reflectată de obiecte sau mai degrabă radiaţia infraroșie emisă de obiecte sub formă de căldură.

Astăzi, aceste dispozitive sunt utilizate, pe scară largă, nu numai de către militari, ci și de personalul serviciilor de aplicare a legii și de urgență, de agenţii de securitate și supraveghere, de vânătorii de animale sălbatice și chiar de pasionații de camping.

Tehnologia actuală nu este însă lipsită de probleme. Camerele comerciale cu infraroșu blochează lumina vizibilă, perturbând vederea normală. Aceste dispozitive sunt voluminoase, grele și necesită temperaturi scăzute (în unele cazuri chiar și răcire criogenică) pentru a funcționa.

Tehnologia vederii pe întuneric

 Credit: Lei Xu / NTU

Am propus o nouă tehnologie care utilizează straturi ultrasubțiri de nanocristale pentru a face vizibilă radiaţia infraroșie, abordând multe dintre problemele dispozitivelor actuale.

Cercetarea noastră a fost publicată în Advanced Photonics.

Scopul nostru este să producem un strat ușor de nanocristale, asemănător unui film, care să stea pe ochelari sau alte lentile, alimentat de un mic laser încorporat şi care să le permită oamenilor să vadă în întuneric.

Detecție convențională în infraroșu

Camerele comerciale cu infraroșu convertesc radiaţia infraroșie într-un semnal electric şi au în dotare un ecran de afișare. Aceste camere necesită temperaturi scăzute, din cauza energiei și frecvenței scăzute a radiaţiei în infraroșu. Acest lucru face ca detectoarele cu infraroșu convenționale să fie voluminoase și grele, personalul de securitate raportând leziuni cronice la nivelul gâtului ca urmare a utilizării regulate a ochelarilor de vedere nocturnă.

Un alt dezavantaj al tehnologiei actuale este că blochează lumina vizibilă, perturbând astfel vederea normală. În unele cazuri, imaginile în infraroșu ar putea fi trimise la un monitor, lăsând intactă vederea normală. Cu toate acestea, această soluție nu este fezabilă atunci când utilizatorii sunt în mișcare.

Alternative optice

Există, de asemenea, unele alternative optice, care nu implică semnale electrice, transformând direct radiaţia infraroșie în lumină vizibilă ce poate fi analizată de ochi sau de o cameră.

Aceste tehnologii funcționează prin combinarea radiaţiei infraroșu de intrare cu o sursă puternică de radiaţii electromagnetice vizibile, un fascicul laser, în interiorul unui material cunoscut sub numele de „cristal neliniar”. Cristalul emite apoi lumină în spectrul vizibil.

Cu toate acestea, cristalele neliniare sunt voluminoase și scumpe și pot detecta lumina doar într-o bandă îngustă de frecvențe în infraroșu.

Metasuprafeţele oferă soluția

Cercetările noastre propun o abordare complet optică. În loc de un cristal neliniar, ne-am propus să folosim straturi, atent concepute, de nanocristale numite „metasuprafeţe”. Metasuprafețele sunt ultrasubțiri, foarte ușoare și pot fi modificate pentru a controla culoarea sau frecvența luminii care trece prin ele.

Acest lucru face ca metasuprafețele să devină o soluţie atractivă pentru a convertirea fotonilor în infraroșu în fotoni în domniul vizibil. Foarte important, metasuprafețele transparente ar putea permite, în același timp, imagistica în infraroșu și o vedere normală.

Grupul nostru de lucru și-a propus să demonstreze imagistica în infraroșu cu metasuprafețe. Am proiectat o metasuprafață compusă din sute de cristale, incredibil de mici, realizate din arsenura de galiu semiconductor.

Această metasuprafață a fost concepută pentru a amplifica radiaţia electromagnetică, prin rezonanță, la anumite frecvențe în infraroșu, frecvența laserului și lumina vizibilă. După fabricarea metasuprafeţei, am transferat-o pe o sticlă transparentă, formând un strat de nanocristale pe o suprafață de sticlă.

Nanocristale pe o metasuprafață

O imagine obţinută cu un microscop electronic cu scanare ce prezintă nanocristalele de pe o metasuprafaţă, utilizate pentru a face vizibilă radiaţia infraroșie. Credit: Mohsen Rahmani/NTU

Pentru a testa metasuprafața noastră, am utilizat imagini în infraroșu ale unei ținte și am văzut că acestea au fost convertite în imagini verzi, vizibile. Am testat acest lucru cu diferite poziții ale țintei și, de asemenea, fără nicio țintă, astfel încât să putem vedea emisia verde a metasuprafeţei în sine. În imaginile obținute, dungile întunecate corespund țintei în infraroșu, acestea fiind înconjurate de o emisie verde, vizibilă.

În ciuda faptului că diferite părți ale imaginilor în infraroșu au fost convertite de către nanocristale independente care compun metasuprafața, imaginile au fost reproduse corect în lumină vizibilă.

Ținta în infrarosu și lumina vizibilă prin metasuprafață

Aceste perechi de imagini arată forma țintei în infraroșu (stânga) și vizualizarea luminii vizibile prin metasuprafaţă (dreapta). Credit: Rocio Camacho Morales

Chiar dacă experimentul nostru este doar demonstraţia unui concept, această tehnologie oferă, în principiu, multe lucruri care nu sunt posibile cu ajutorul sistemelor convenționale, cum ar fi un unghi mai larg de vizualizare și imagistica în infraroșu multicolor.

Viitorul metasuprafețelor în tehnologii noi

Cererea de dispozitive de detecţie a radiaţiei infraroșu, care este invizibilă pentru ochii omului, este în continuă creștere, ca urmare a numeroaselor sale aplicaţii în afară de vederea pe întuneric.

Tehnologia ar putea fi utilizată în industria agricolă pentru a ajuta la monitorizarea și menținerea controlului calității alimentelor și la tehnicile de teledetecție, cum ar fi LIDAR, o tehnologie care ajută la cartografierea mediilor naturale și a celor create de om.

Într-un context mai larg, utilizarea metasuprafețelor pentru a detecta, genera și manipula lumina este în plină expansiune. Valorificarea puterii metasuprafețelor ne va aduce mai aproape de unele tehnologii precum afișajele holografice în timp real sau vederea artificială pentru sistemele autonome.

Traducere după Seeing the invisible: tiny crystal films could make night vision an everyday reality

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *