據麥姆斯咨詢報道，澳大利亞國立大學（The Australian National University）開創性超構光學系統ARC卓越中心（TMOS）的研究人員近期在夜視技術領域取得了重大進展，他們制造出了一種比保鮮膜還薄的紅外濾光片，有朝一日可以將其裝配在日常眼鏡上，使用戶可以同時看到紅外光和可見光光譜。
面向視覺應用的紅外光到可見光的上轉換
目前，夜視設備主要用于軍隊、熱衷于隨身攜帶多用途望遠鏡的狩獵愛好者或者樂于攜帶沉重鏡頭的攝影師。這主要受制于夜視設備的重量和體積。一般人不會在夜間跑步時在額頭上再綁上重達一公斤的夜視儀。
因此，夜視儀的微型化具有廣泛的應用潛力。制造出重量不到一克的夜視濾光片，并將其作為一層薄膜覆蓋在傳統眼鏡上，有望開辟新的日常應用。
消費類夜視眼鏡可以讓用戶同時看到可見光和紅外光光譜，從而使黑暗中的駕駛和步行更安全，此外，對于需要在微光下工作的場景，還可以避免佩戴笨重且易引起不適的頭燈。
TMOS研究人員在Advanced Materials期刊上發表了這項研究成果，展示了采用非局域鈮酸鋰超構表面的增強型紅外視覺非線性上轉換技術。
傳統夜視技術需要紅外光子通過透鏡，到達光電陰極，將這些光子轉化為電子，電子再通過一個微通道板，以增加產生的電子數量。這些電子再穿過熒光屏，重新轉化為光子，產生人眼可以看到的增強可見光圖像。
這些元件通常需要低溫冷卻，以防止熱噪聲也被增強。上述類似的高質量夜視系統既笨重又龐大。此外，這些系統通常會阻擋可見光。
非局域鈮酸鋰超構表面形貌幾何示意圖
相比之下，基于超構表面的上轉換技術需要的元件更少，大大減少了占位面積。光子通過單個諧振超構表面，與泵浦光束混合。諧振超構表面增強了光子的能量，將它們引入可見光光譜，而無需進行電子轉換。不僅如此，它還能在室溫下工作，無需笨重的冷卻系統。
此外，傳統的紅外光和可見光成像系統無法生成完全相同的圖像，因為它們只能分別捕捉兩種光譜的圖像。通過使用上轉換技術，成像系統可以在一張圖像中同時捕捉可見光和非可見光。
這項研究是對研究人員最初采用砷化鎵超構表面技術的改進。新的超構表面由鈮酸鋰制成，在可見光波段完全透明，因此效率更高。此外，光子束在更寬的表面上傳播，降低了數據的角損失。
非局域超構表面的非線性表征
該論文第一作者Laura Valencia Molina介紹說：“此前人們認為，從紅外光到可見光的高效上轉換無法實現，因為非局域超構表面固有的角損失會導致大量信息無法收集。我們克服了這些限制，并通過實驗證明了高效的圖像上轉換。”
作者Rocio Camacho Morales說：“這是首次在非局域超構表面上演示從1550 nm紅外光到550 nm可見光的高分辨率上轉換成像。我們選擇這些波長是因為1550 nm紅外光通常用于電信，而550 nm是人眼高度敏感的可見光。”
采用空間變化非局域超構表面的組合成像和圖像處理概念
未來的進一步研究將包括擴大器件的敏感波長范圍，旨在獲得寬帶紅外成像，以及探索包括邊緣檢測在內的圖像處理。
首席研究員Dragomir Neshev說：“這些研究成果為監控、自主導航和生物成像等應用帶來了重大機遇。降低夜視技術的尺寸、重量和功耗要求，是超構光學對‘工業4.0’以及未來技術微型化至關重要的示例，也是TMOS正在努力的研究方向。”
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202402777
