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微小的晶體薄膜可以讓夜視成為現實
閱讀：1558 發(fā)布時間：2021-7-14對于看過很多動作片或者玩過《使命召喚》的人來說，一定不會對這樣的景象感到陌生：在一個幽靈般綠色的畫面中，看不見的物體變得可見。自從上世紀60年代中期第一臺夜視儀問世以來，這項技術就引發(fā)了大眾的想象。
夜視鏡、紅外攝像機和其它類似的設備能檢測從物體反射的紅外光，或者更確切地說是檢測物體因為含有熱量而發(fā)出的紅外光。如今，這些設備不僅被軍(分隔符)方廣泛使用，還被執(zhí)法和緊急服務、安全和監(jiān)控行業(yè)、獵人和露營愛好者廣泛使用。
但當前的技術并非沒有問題。商用紅外攝像機阻擋可見光，干擾了正常的視野，這種裝置體積龐大且笨重，需要冷卻（在某些情況下甚至需要低溫冷卻）才能工作。
澳大利亞的的研究人員發(fā)明了一項新技術，利用超薄的納米晶體層使紅外光變得可見，解決了當前設備長期存在的許多問題。該研究發(fā)表在《*光子學》（Advanced Photonics）期刊上。研究人員的最終目標是制造一種可以放置在眼鏡或其他鏡片上的輕質薄膜層，由一個微型內置激光器驅動，使人們在黑暗中也能看見東西。
傳統(tǒng)的紅外探測
商用紅外攝像機將紅外光轉換為電信號，然后顯示在顯示屏上。由于紅外光的能量和頻率較低，因此它們需要低溫才能運行。這使得傳統(tǒng)的紅外探測器體積龐大且笨重——一些安全人員報告說，由于經常使用夜視鏡，造成了慢性頸部損傷。
當前技術的另一個缺點是它阻礙了可見光的傳輸，從而擾亂了正常的視覺。在某些情況下，紅外圖像可以被發(fā)送到顯示器，而不影響正常的視覺。然而，當用戶在移動時，這種解決方案并不可行。
全光替代方案
還有一些不涉及電信號的全光替代方案。在這些方案中，儀器能直接將紅外光轉化為可見光從而被眼睛或照相機識別。這些技術的工作原理是在一種被稱為“非線性晶體”的材料中，將入射的紅外光與一束強光源( 一束激光束)相結合，然后晶體發(fā)出可見光譜的光。
然而，非線性晶體體積龐大，價格昂貴，而且只能探測到紅外波段較窄的光。新的研究工作完善了這種全光方法。研究人員用精心設計的納米晶層來代替非線性晶體。這些納米晶層被稱為“超表面”，它們是超薄、超輕，可以通過調整來控制通過它們的光的顏色或頻率。這使得超表面成為將紅外光子轉換為可見光的有吸引力的平臺。重要的是，透明的超表面可以實現紅外成像，同時允許正常視覺。
研究團隊開始展示超表面的紅外成像。他們設計了一個由數百個半導體砷化鎵制成的極其微小的晶體天線組成的超表面。這個超表面被設計成在一定的紅外頻率、激光頻率和可見光輸出下通過共振放大光。然后我們制造了超表面并將其轉移到透明玻璃上，在玻璃表面形成一層納米晶體。
為了測試這個超表面，研究人員用目標的紅外圖像照亮它，看到紅外圖像被轉換成可見的綠色圖像。他們對不同位置的目標以及沒有任何目標進行了測試——這樣可以看到超表面本身的綠色發(fā)光。在獲得的圖像中，深色條紋對應的是紅外目標，被綠色可見發(fā)射物包圍。盡管紅外圖像的不同部分被轉移到了超表面的獨立納米晶體上，但圖像在可見光下得到了很好的再現。雖然實驗只是一個概念證明，但這項技術原則上可以做很多傳統(tǒng)系統(tǒng)無法做到的事情，比如更廣的視角和多色紅外成像。
超表面在新技術中的發(fā)展前景
由于除了夜視之外的廣泛應用，對人眼看不見的紅外光的探測需求不斷增長，這項技術可用于農業(yè)行業(yè)，幫助監(jiān)測和維持食品質量控制，也可用于遙感技術，如激光雷達（LIDAR）——一種幫助繪制自然和人造環(huán)境地圖的技術。
在更廣泛的背景下，利用超表面來探測、生成和操縱光的技術正在蓬勃發(fā)展。利用超表面的力量將使我們更接近實時全息顯示、自主系統(tǒng)的人工視覺和基于超快光的wifi等技術。