Podczerwień zamienili w zwykły obraz. Termowizja będzie tania jak barszcz

Dzisiejsza kamera na podczerwień musi mieć sensor, który rzeczywiście potrafi wykryć fale niewidoczne dla ludzkiego oka. To komplikuje sprawę, bo takie detektory są droższe od zwykłych matryc krzemowych, a część z nich wymaga dodatkowego chłodzenia. Naukowcy z Australii i USA postanowili więc podejść do problemu z drugiej strony. Zamiast uczyć kamerę widzieć podczerwień, zamienili podczerwień na zwykłe światło, zanim w ogóle dotrze do detektora.

Urządzenie przypomina cienki ekran optyczny. Jego podstawę stanowi kwarc pokryty metapowierzchnią z dwutlenku tytanu. Nie jest to jednak gładka warstwa. Naukowcy stworzyli na niej regularny wzór maleńkich słupków o rozmiarach liczonych w setkach nanometrów. Na całość naniesiono jeszcze warstwę nanocząstek zawierających iterb i erb. To właśnie one są tu najważniejsze.

Padające na ekran fotony podczerwieni o długości fali około 976-980 nm są pochłaniane przez nanocząstki. Energia kilku takich fotonów może zostać następnie oddana w postaci fotonu o większej energii – już w zakresie widzialnym. W eksperymencie pojawiało się przede wszystkim światło czerwone o długości około 660 nm, a także zielone w okolicach 540 nm. Obraz, którego zwykły sensor wcześniej nie był w stanie zobaczyć, fizycznie zmienia więc kolor jeszcze przed dotarciem do kamery. Dalej można już użyć standardowego krzemowego detektora.

Sam pomysł zamiany podczerwieni na światło widzialne nie jest nowy. Nanocząstki typu UCNP, czyli upconverting nanoparticles, potrafią robić to od lat. Tyle że robią to dość niechętnie. Proces wymaga pochłonięcia kilku fotonów, zanim powstanie jeden o większej energii. Przy niewielkim natężeniu podczerwieni szansa na takie zdarzenie gwałtownie spada. Ekran działa, ale światło widzialne jest tak słabe, że praktyczne obrazowanie staje się trudne.

Zespół kierowany przez Nimę Sefidmooye Azara, który prowadził badania w ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems na University of Melbourne, wykorzystał więc metapowierzchnię jak miniaturową pułapkę dla światła. Jej nanostruktury zostały dobrane w taki sposób, aby w pobliżu długości fali używanej do wzbudzania nanocząstek powstawał rezonans optyczny.

W uproszczeniu, zamiast pozwolić podczerwieni szybko przelecieć przez materiał, konstrukcja koncentruje pole elektromagnetyczne dokładnie tam, gdzie znajdują się nanocząstki. Efekt okazał się naprawdę ciekawy.

Przy wzbudzeniu podczerwienią o długości 976 nm naukowcy zmierzyli 1100-krotne wzmocnienie czerwonej emisji w porównaniu z identyczną warstwą nanocząstek pozbawioną metapowierzchni. Oznacza to, że po dodaniu nanostrukturalnej warstwy te same nanocząstki zaczęły emitować ponad 1000 razy więcej czerwonego światła.

Nie znaczy to jednak, że gotowy obraz jest 1000 razy lepszy od tego z dzisiejszej kamery na podczerwień. Badacze porównali dwie wersje własnego układu: jedną z metapowierzchnią i drugą bez niej.

Różnica była jednak na tyle duża, że zamiast ledwie mierzalnego sygnału udało się uzyskać rzeczywisty obraz. Naukowcy ustawili przed ekranem wzorzec testowy, oświetlili go podczerwienią i po drugiej stronie zobaczyli jego czytelną wersję w świetle widzialnym. Drobne elementy o wielkości około 20 mikrometrów nadal można było rozróżnić.

Tutaj pojawił się jednak problem, który wcześniej mocno ograniczał podobne rozwiązania. Metapowierzchnia może fantastycznie wzmacniać światło padające pod jednym konkretnym kątem. Tyle że prawdziwy obraz nie składa się z promieni lecących idealnie prostopadle. Światło dociera do ekranu pod wieloma kątami. Każdy z nich przenosi inną informację przestrzenną o fotografowanym obiekcie.

Jeżeli rezonans dla jednego kąta jest silny, a dla innego słaby, część szczegółów zostaje wzmocniona bardziej od pozostałych. Zamiast jasnego zdjęcia dostajemy rozmytą plamę. Naukowcy zaprojektowali więc tzw. flat-band dielectric metasurface. Jej rezonans pozostaje niemal w tym samym miejscu dla różnych kątów padania światła (w eksperymencie do około 6 stopni) i nie zależy od polaryzacji.

Dzięki temu ekran wzmacnia różne fragmenty informacji tworzącej obraz w bardziej równomierny sposób. To jeden z najważniejszych elementów całej pracy. Nie chodzi tylko o to, żeby nanocząstki świeciły mocniej. Mają świecić mocniej i jednocześnie nie zgubić obrazu.

Nowy ekran nie jest obecnie zamiennikiem kamery termowizyjnej pokazującej ciepło emitowane przez człowieka, samochód czy budynek. Klasyczna termowizja pracuje najczęściej w średniej lub długofalowej podczerwieni, a w zastosowaniach do obserwacji temperatur bardzo często w okolicach 8-14 mikrometrów.

Nowy prototyp wykorzystuje promieniowanie około 0,976 mikrometra, czyli bliską podczerwień. Co więcej, podczas demonstracji obiekt był aktywnie oświetlany laserem IR. To bliżej zasady działania noktowizji z aktywnym oświetlaczem podczerwieni niż kamery termowizyjnej.

Przeczytaj także:

Na Spider's Web niedawno opisywaliśmy inny eksperymentalny układ, który również zamieniał podczerwień na obraz widzialny. Tam wykorzystano kropki kwantowe i OLED. Nowa konstrukcja wykorzystuje nanocząstki i rezonansową metapowierzchnię, a jej największym atutem ma być prostota samego konwertera optycznego.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI