非局域超构表面助力,传统眼镜迈向红外夜视功能

据麦姆斯咨询报道，澳大利亚国立大学（The Australian National University）开创性超构光学系统ARC卓越中心（TMOS）的研究人员近期在夜视技术领域取得了重大进展，他们制造出了一种比保鲜膜还薄的红外滤光片，有朝一日可以将其装配在日常眼镜上，使用户可以同时看到红外光和可见光光谱。

面向视觉应用的红外光到可见光的上转换

目前，夜视设备主要用于军队、热衷于随身携带多用途望远镜的狩猎爱好者或者乐于携带沉重镜头的摄影师。这主要受制于夜视设备的重量和体积。一般人不会在夜间跑步时在额头上再绑上重达一公斤的夜视仪。

因此，夜视仪的微型化具有广泛的应用潜力。制造出重量不到一克的夜视滤光片，并将其作为一层薄膜覆盖在传统眼镜上，有望开辟新的日常应用。

消费类夜视眼镜可以让用户同时看到可见光和红外光光谱，从而使黑暗中的驾驶和步行更安全，此外，对于需要在微光下工作的场景，还可以避免佩戴笨重且易引起不适的头灯。

TMOS研究人员在Advanced Materials期刊上发表了这项研究成果，展示了采用非局域铌酸锂超构表面的增强型红外视觉非线性上转换技术。

传统夜视技术需要红外光子通过透镜，到达光电阴极，将这些光子转化为电子，电子再通过一个微通道板，以增加产生的电子数量。这些电子再穿过荧光屏，重新转化为光子，产生人眼可以看到的增强可见光图像。

这些元件通常需要低温冷却，以防止热噪声也被增强。上述类似的高质量夜视系统既笨重又庞大。此外，这些系统通常会阻挡可见光。

非局域铌酸锂超构表面形貌几何示意图

相比之下，基于超构表面的上转换技术需要的元件更少，大大减少了占位面积。光子通过单个谐振超构表面，与泵浦光束混合。谐振超构表面增强了光子的能量，将它们引入可见光光谱，而无需进行电子转换。不仅如此，它还能在室温下工作，无需笨重的冷却系统。

此外，传统的红外光和可见光成像系统无法生成完全相同的图像，因为它们只能分别捕捉两种光谱的图像。通过使用上转换技术，成像系统可以在一张图像中同时捕捉可见光和非可见光。

这项研究是对研究人员最初采用砷化镓超构表面技术的改进。新的超构表面由铌酸锂制成，在可见光波段完全透明，因此效率更高。此外，光子束在更宽的表面上传播，降低了数据的角损失。

非局域超构表面的非线性表征

该论文第一作者Laura Valencia Molina介绍说：“此前人们认为，从红外光到可见光的高效上转换无法实现，因为非局域超构表面固有的角损失会导致大量信息无法收集。我们克服了这些限制，并通过实验证明了高效的图像上转换。”

作者Rocio Camacho Morales说：“这是首次在非局域超构表面上演示从1550 nm红外光到550 nm可见光的高分辨率上转换成像。我们选择这些波长是因为1550 nm红外光通常用于电信，而550 nm是人眼高度敏感的可见光。”

采用空间变化非局域超构表面的组合成像和图像处理概念

未来的进一步研究将包括扩大器件的敏感波长范围，旨在获得宽带红外成像，以及探索包括边缘检测在内的图像处理。

首席研究员Dragomir Neshev说：“这些研究成果为监控、自主导航和生物成像等应用带来了重大机遇。降低夜视技术的尺寸、重量和功耗要求，是超构光学对‘工业4.0’以及未来技术微型化至关重要的示例，也是TMOS正在努力的研究方向。”