Naukowcy zamienili podczerwień w zwykłe światło. Termowizja może stać się dużo tańsza

Klasyczne kamery na podczerwień wymagają specjalnych detektorów zdolnych wychwycić promieniowanie niewidoczne dla ludzkiego wzroku. Takie sensory są znacznie droższe niż standardowe matryce krzemowe, a niektóre z nich muszą być dodatkowo chłodzone, co jeszcze bardziej podnosi koszty. Grupa naukowców z Australii i Stanów Zjednoczonych zdecydowała się rozwiązać ten problem inaczej. Zamiast projektować kamerę zdolną rejestrować podczerwień, opracowali sposób na przekształcenie jej w zwykłe światło widzialne, jeszcze zanim trafi do sensora.

Obraz niewidzialny zostaje przekształcony w widzialny, zanim dotrze do detektora

Konstrukcja przypomina niewielki, płaski panel optyczny. Bazą jest kryształ kwarcu pokryty metapowierzchnią z dwutlenku tytanu, która nie jest gładka - naukowcy uformowali na niej regularny układ mikroskopijnych słupków o wymiarach rzędu setek nanometrów. Na wierzch nałożono warstwę nanocząstek domieszkowanych iterbem i erbem, które odgrywają w całym mechanizmie kluczową rolę.

Fotony podczerwieni o długości fali w przedziale 976-980 nm, padające na panel, zostają wychwycone przez te nanocząstki. Energia kilku takich fotonów jest łączona i emitowana ponownie, tym razem jako foton o wyższej energii, znajdujący się już w zakresie widzialnym dla oka. W przeprowadzonym eksperymencie dominowało światło czerwone o długości około 660 nm, obserwowano też emisję zieloną w okolicy 540 nm. W praktyce oznacza to, że obraz niewidoczny dla typowego sensora zmienia barwę jeszcze przed wejściem do kamery, a dalej można już posłużyć się zwykłym detektorem krzemowym.

Konwersja podczerwieni na światło widzialne nie jest sama w sobie nowością - nanocząstki określane jako UCNP (upconverting nanoparticles) są znane od dawna. Problem w tym, że proces ten zachodzi niechętnie, bo wymaga pochłonięcia kilku fotonów, aby powstał jeden o wyższej energii. Gdy natężenie podczerwieni jest niewielkie, prawdopodobieństwo takiego zdarzenia drastycznie spada, a emitowane światło jest zbyt słabe, by nadawało się do realnego obrazowania.

Grupa pod kierownictwem Nimy Sefidmooye Azara, prowadząca badania w ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems na University of Melbourne, wykorzystała metapowierzchnię jako swego rodzaju pułapkę na światło. Nanostruktury zaprojektowano tak, by przy długości fali wzbudzającej nanocząstki powstawał rezonans optyczny.

Mówiąc prościej, konstrukcja nie pozwala podczerwieni po prostu przeleciać przez materiał, lecz skupia pole elektromagnetyczne precyzyjnie w miejscach, gdzie znajdują się nanocząstki. Rezultat tego zabiegu okazał się zaskakująco silny.

Ponad tysiąckrotny wzrost jasności emisji

Przy wzbudzeniu falą o długości 976 nm zespół zaobserwował 1100-krotny wzrost intensywności czerwonej emisji w porównaniu z taką samą warstwą nanocząstek, ale bez metapowierzchni. Innymi słowy, dodanie nanostruktury sprawiło, że identyczne nanocząstki zaczęły wypromieniowywać ponad tysiąc razy więcej czerwonego światła.

To nie oznacza jednak, że sam obraz jest tysiąckrotnie lepszy od tego, jaki daje dzisiejsza kamera na podczerwień. Badacze porównywali dwa warianty własnego układu - z metapowierzchnią oraz bez niej.

Skala różnicy była jednak wystarczająca, by przejść od praktycznie niemierzalnego sygnału do realnego, czytelnego obrazu. W testach przed panelem umieszczono wzorzec kontrolny, oświetlono go podczerwienią, a po drugiej stronie panelu uzyskano jego wyraźną wersję w świetle widzialnym. Udało się rozróżnić nawet drobne detale o rozmiarze rzędu 20 mikrometrów.

Pojawił się tu jednak problem, który wcześniej utrudniał podobne rozwiązania. Metapowierzchnia potrafi bardzo silnie wzmacniać światło, ale zwykle tylko dla jednego, konkretnego kąta padania. Realny obraz nie składa się jednak z promieni padających idealnie prostopadle - światło dociera pod wieloma różnymi kątami, a każdy z nich niesie inną informację przestrzenną o obserwowanym obiekcie.

Kiedy rezonans jest silny dla jednego kąta, a słaby dla pozostałych, niektóre fragmenty obrazu zostają wzmocnione bardziej niż inne, co w efekcie zamienia ostre zdjęcie w rozmytą plamę. Naukowcy zaprojektowali więc tzw. flat-band dielectric metasurface - strukturę, w której rezonans pozostaje niemal niezmienny niezależnie od kąta padania promieni (w testach do około 6 stopni) oraz od ich polaryzacji.

Taka konstrukcja pozwala wzmacniać różne fragmenty obrazu w bardziej jednorodny sposób. To jeden z najistotniejszych elementów tej pracy naukowej - nie wystarczy, aby nanocząstki świeciły jaśniej, muszą świecić jaśniej bez utraty spójności obrazu.

To wciąż nie jest jeszcze pełnoprawna termowizja

Opracowany panel nie zastąpi na razie kamer termowizyjnych wykrywających ciepło emitowane przez ludzi, pojazdy czy budynki. Tradycyjna termowizja działa zwykle w zakresie średniej lub długofalowej podczerwieni, a przy obserwacjach temperatury najczęściej wykorzystuje fale o długości 8-14 mikrometrów.

Nowy prototyp działa na promieniowaniu o długości około 0,976 mikrometra, czyli w bliskiej podczerwieni. Co istotne, podczas demonstracji badany obiekt był aktywnie podświetlany laserem IR, co bliższe jest zasadzie działania noktowizji z aktywnym oświetlaczem podczerwieni niż klasycznej kamerze termowizyjnej.

Wcześniej opisywaliśmy już inne eksperymentalne rozwiązanie tego samego typu, wykorzystujące kropki kwantowe i technologię OLED do konwersji podczerwieni na obraz widzialny. Nowo zaprezentowana konstrukcja bazuje na nanocząstkach i rezonansowej metapowierzchni, a jej głównym atutem ma być prostota samego konwertera optycznego.