Выполнение задач в темноте традиционно требует громоздких приборов, улавливающих инфракрасный свет или усиливающих слабое освещение. Однако австралийские учёные совершили прорыв, представив революционную технологию ночного видения. В журнале Advanced Materials они описали инфракрасный преобразователь, который тоньше липкой ленты. Благодаря микроскопическим размерам это устройство можно интегрировать прямо в линзы обычных очков, что позволит пользователю одновременно видеть и обычный видимый свет, и инфракрасное излучение.
Исследователи из Центра передовых метаоптических систем (TMOS) в Австралии давно стремятся сделать технологии ночного видения легче и компактнее. Их цель — миниатюризировать сложные оптические системы, упростив пути обработки света. По мнению команды TMOS, такой подход откроет дорогу к массовому применению этих устройств в повседневной жизни.
Новая разработка, как утверждают учёные, может весить меньше одного грамма. Это кардинально отличается от современных тяжёлых и объёмных очков и биноклей ночного видения. Для достижения такой миниатюризации команда использовала нелокальную метаповерхность из ниобата лития. «Это первая в мире демонстрация работы с инфракрасным светом длиной волны 1550 нм на нелокальной метаповерхности, которая также позволяет получать высококачественные изображения в видимом спектре с длиной волны 550 нм», — пояснила соавтор исследования Росио Камачо Моралес.
Упрощение обработки света: от электронов к фотонам
Классические приборы ночного видения работают по сложной схеме. Свет (фотоны) проходит через линзу и попадает в электронно-оптический преобразователь. Там фотокатод превращает фотоны в электроны, которые затем умножаются, проходя через микроканальные пластины с миллионами микроскопических отверстий. Наконец, эти электроны попадают на фосфоресцирующий экран, где снова преобразуются в фотоны, создавая зелёное свечение, которое и видит наблюдатель.
Схема работы стандартного прибора ночного видения. Обратите внимание: Вскоре наступит эра автономных боевых машин, которые будут убивать себе подобных.
©ТМОСПовторить эту громоздкую конструкцию в миниатюрном устройстве невозможно. Поэтому исследователи TMOS предложили принципиально иной подход — преобразование фотонов с помощью метаповерхностей. В новой технологии фотоны проходят через специальную резонансную метаповерхность, где взаимодействуют с «насосным» лучом. Эта поверхность напрямую увеличивает энергию инфракрасных фотонов, переводя их в видимый спектр, минуя стадию преобразования в электроны. Этот процесс не требует охлаждения и эффективно работает при комнатной температуре.
Ещё одно ключевое преимущество — возможность одновременного захвата видимого и инфракрасного спектров в одном изображении. Традиционные системы отображают эти спектры по отдельности, что не даёт целостной картины.
«Наши результаты открывают огромные перспективы для систем наблюдения, автономной навигации и биомедицинской визуализации, — заявил ведущий исследователь Драгомир Нешев. — Снижение веса и энергопотребления устройств ночного видения — яркий пример того, как метаоптика и работа TMOS способствуют созданию технологий будущего и их предельной миниатюризации в рамках Индустрии 4.0».
Принцип преобразования инфракрасного излучения (IR) в видимый свет (VIS). а) Схема нелинейного преобразователя: инфракрасный свет, отражённый от объекта, проходит через линзу (L1), когерентно преобразуется в видимый свет и фиксируется другой линзой (L2) для просмотра на обычной камере. б) Все световые лучи, падающие под разными углами, преобразуются с одинаковой эффективностью. в) Благодаря угловой дисперсии (нелокальным свойствам) преобразователя, лучи, падающие под прямым углом, преобразуются эффективнее, чем под большими углами. ©ТМОС Ранее команда TMOS уже создавала технологию инфракрасного видения на основе метаповерхностей из арсенида галлия. Новая разработка значительно превосходит её по эффективности. Кроме того, в новом методе фотонный пучок распределяется по большей площади, что минимизирует потерю информации об углах падения света.
«Многие считали, что эффективное преобразование инфракрасного изображения в видимое невозможно из-за неизбежных угловых потерь в нелокальных метаповерхностях, — говорит ведущий автор работы Лаура Валенсия Молина. — Нам удалось преодолеть эти фундаментальные ограничения и экспериментально продемонстрировать высокоэффективное преобразование изображений».
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.