Автор AZoNano 16 июня 2021 г.

Спрос на обнаружение инфракрасного (ИК) света, невидимого для человеческого глаза, постоянно растет благодаря широкому спектру приложений, начиная от контроля качества пищевых продуктов и дистанционного зондирования до приборов ночного видения и лидара.

Коммерческие ИК-камеры требуют преобразования инфракрасного света в электроны и проецирования результирующего изображения на дисплей. Этот дисплей блокирует передачу видимого света, тем самым нарушая нормальное зрение. Более того, такие ИК-детекторы требуют низкой температуры и даже криогенного охлаждения из-за низкой энергии ИК-фотонов, что делает ИК-детекторы громоздкими и тяжелыми.

Полностью оптической альтернативой традиционным камерам является использование нелинейно-оптического процесса для преобразования инфракрасного света в видимый. В этом случае электрические сигналы больше не участвуют в процессе обнаружения инфракрасного излучения, и изображение, преобразованное в видимое, может быть захвачено камерой для глаз или телефоном. Оптический процесс, используемый в этом методе, представляет собой генерацию нелинейной суммарной частоты (SFG). В процессе SFG два падающих фотона, один из которых находится в ИК-спектре, взаимодействуют внутри нелинейного материала, генерируя излучение на более высоких и видимых частотах. Однако в обычных подходах для этого преобразования используются громоздкие и дорогие нелинейные кристаллы.

Очень привлекательной платформой для преодоления этих ограничений является использование ультратонких слоев нанокристаллов, известных как метаповерхности. Метаповерхности – это плоские массивы плотно упакованных наноантенн, предназначенные для управления различными свойствами падающего света, включая его частоту. Среди различных примеров, диэлектрические и полупроводниковые метаповерхности показали большие перспективы для улучшения нелинейных оптических процессов на наномасштабе. Такие метаповерхности могут демонстрировать улучшенное преобразование частоты из-за возбуждения оптических резонансов и хорошей связи со свободным пространством. Таким образом, использование нелинейных метаповерхностей является многообещающим способом преобразования инфракрасных фотонов в видимые и, тем самым, изображения инфракрасных объектов посредством когерентного преобразования с использованием ультратонких и сверхлегких устройств. Важно отметить, что прозрачные метаповерхности могут создавать ИК-изображения в конфигурации передачи и одновременно пропускать видимый свет, чтобы обеспечить нормальное зрение.

Помня об этой идее, исследователям из Австралийского национального университета, Университета Ноттингем Трент и сотрудникам со всего мира удалось продемонстрировать ИК-изображение с помощью нелинейных метаповерхностей, состоящих из небольших полупроводниковых нанокристаллов. Как сообщается в Advanced Photonics исследователи разработали мультирезонансную метаповерхность для усиления поля на всех частотах, участвующих в процессе SFG. Разработанная метаповерхность была изготовлена ​​и перенесена на прозрачное стекло, образуя слой нанокристаллов на поверхности стекла.

В эксперименте ИК-изображение мишени в виде звезды Сименса освещало метаповерхности. ИК-изображение цели было смешано со вторым лучом и посредством процесса SFG преобразовано с повышением частоты до видимой длины волны 550 нм (зеленый свет). Видимые зеленые изображения, снятые с помощью обычной камеры, соответствуют различным поперечным положениям цели, включая случай, когда цель была полностью удалена с пути ИК-луча и наблюдалось излучение SFG от метаповерхности. Несмотря на то, что различные части луча ИК-сигнала подвергались повышающему преобразованию независимыми нанокристаллами, составляющими метаповерхность, изображения были хорошо воспроизведены в видимом диапазоне.

Предложенный подход к формированию ИК-изображений на основе метаповерхностей предлагает новые возможности, недоступные в обычных системах преобразования с повышением частоты. Например, использование встречных возбуждающих лучей, а также падения под разными углами и, что наиболее важно, многоцветного ИК-изображения с помощью правильно спроектированной метаповерхности. Таким образом, результаты, полученные исследователями, могут быть полезны для будущего развития компактных приборов ночного видения и сенсорных устройств, предлагая ультратонкую и сверхкомпактную платформу и новые функции, такие как многоцветное ИК-изображение при комнатной температуре.

Источник: https://spie.org/