纳米晶层图像
这种新的概念验证技术是超紧凑、超轻的,也许有一天可以在标准眼镜上实现红外成像。(资料来源:徐磊,诺丁汉特伦特大学)

由于从食品质量控制、遥感到夜视设备和激光雷达等各种各样的应用,对人眼看不见的红外(IR)光的检测需求不断增长。商用红外相机需要将红外光转换为电子,并将生成的图像投影到显示器上。这种显示器会阻碍可见光的传输,从而干扰正常的视觉。此外,由于红外光子能量低,红外探测器需要低温甚至低温冷却,这使得红外探测器体积庞大、重量沉重。

传统摄像机的全光学替代方法是使用非线性光学过程将IR光转换为可见。在这种情况下,电信号不再涉及IR检测过程,并且可以通过眼睛或电话型相机捕获图像的图像转换为可见光。本技术中采用的光学过程是非线性和频率生成(SFG)。在SFG过程中,两个入射光子,IR光谱中的一个,在非线性材料内相互作用,以产生较高和可见频率的发射。然而,在通常的方法中,这种转换依赖于庞大和昂贵的非线性晶体。

克服这些限制的一个非常有吸引力的平台是使用称为Metasurfaces的超薄纳米晶体层。Metasurfaces是宽松填充纳米环绕的平面阵列,旨在操纵入射光的各种性质,包括其频率。在各种示例中,介电和半导体元件已经表明了增强纳米级的非线性光学过程的许多希望。由于光学共振的激发和与自由空间的良好耦合,这种元件可以表现出增强的频率转换。因此,使用非线性元件是一种有希望的方式来将IR光子上转换为可见的,从而通过使用超轻器件通过相干转换图像IR对象。重要的是,透明元件可以在传输配置中执行IR成像,并同时传输可见光以允许正常视觉。

有了这个想法,来自澳大利亚国立大学、诺丁汉特伦特大学的研究人员和世界各地的合作者设法通过由小型半导体纳米晶体组成的非线性超表面演示了红外成像。研究人员设计了一个多共振超表面,以增强参与SFG过程的所有频率的电场。将所设计的超表面制备并转移到透明玻璃上,在玻璃表面形成一层纳米晶体。

在实验中,一个西门子星型目标的红外图像照亮了超表面。目标的红外图像与第二束光束混合,通过SFG过程向上转换为550 nm的可见光(绿光)。可见绿色图像对应目标的不同横向位置,包括目标完全从红外光束路径中移除和观察超表面的SFG发射情况。尽管红外信号光束的不同部分被组成超表面的独立纳米晶体向上转换,图像仍能很好地再现到可见光中。

提出的基于超表面的红外成像方法提供了传统上转换系统不可能的新机会。例如,反传播激励光束的使用,以及不同角度的入射,最重要的是,通过适当设计的超表面进行多色红外成像。因此,研究人员的研究成果有助于未来小型化夜视仪器和传感器设备的发展,提供超薄和超紧凑的平台和新的功能,如室温下的多色红外成像。

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