Het onzichtbare zien: kleine kristalfilms kunnen nachtzicht tot een alledaagse realiteit maken

Het onzichtbare zien: kleine kristalfilms kunnen nachtzicht tot een alledaagse realiteit maken

Voor iedereen die veel actiefilms heeft gezien of Call of Duty heeft gespeeld, is het een bekend beeld: een spookachtig groen beeld dat onzichtbare voorwerpen zichtbaar maakt. Sinds de ontwikkeling van de eerste nachtkijkers halverwege de jaren zestig heeft de technologie tot de populaire verbeelding gesproken.

Nachtkijkers, infraroodcamera’s en andere soortgelijke apparaten detecteren infraroodlicht dat door objecten wordt gereflecteerd of beter gezegd detecteren infraroodlicht dat door objecten wordt uitgestraald in de vorm van warmte. Tegenwoordig worden deze apparaten niet alleen op grote schaal gebruikt door het leger, maar ook door wetshandhavings- en hulpdiensten, de veiligheids- en bewakingsindustrie, jagers in het wild en kampeerliefhebbers.

Maar de huidige technologie is niet zonder problemen. Commerciële infraroodcamera’s blokkeren zichtbaar licht en verstoren het normale zicht. De apparatuur is omvangrijk en zwaar en vereist lage temperaturen (en in sommige gevallen zelfs cryogene koeling) om te kunnen werken.

We hebben een nieuwe technologie voorgesteld die ultradunne lagen nanokristallen gebruikt om infrarood licht zichtbaar te maken, waarmee veel van de al lang bestaande problemen met de huidige apparaten worden aangepakt. Ons onderzoek is gepubliceerd in Advanced Photonics.

Ons uiteindelijke doel is om een lichte, filmachtige laag te produceren die op een bril of andere lenzen kan zitten, aangedreven door een kleine ingebouwde laser, waardoor mensen in het donker kunnen zien.

Het onzichtbare zien: kleine kristalfilmpjes kunnen nachtzicht tot een alledaagse realiteit maken
Rocio Camacho Morales in het opticalaboratorium.

Conventionele infrarooddetectie

Commerciële infraroodcamera’s zetten infrarood licht om in een elektrisch signaal, dat vervolgens op een beeldscherm wordt weergegeven. Ze vereisen lage temperaturen vanwege de lage energie en frequentie van infraroodlicht. Dit maakt conventionele infrarooddetectoren omvangrijk en zwaar. Sommige beveiligingsmedewerkers hebben chronisch nekletsel gemeld als gevolg van regelmatig gebruik van een nachtkijker

Een ander nadeel van de huidige technologie is dat deze de transmissie van zichtbaar licht blokkeert, waardoor het normale zicht wordt verstoord. In sommige gevallen kunnen infraroodbeelden naar een beeldscherm worden gestuurd, waardoor het normale zicht intact blijft. Deze oplossing is echter niet haalbaar wanneer gebruikers onderweg zijn.

Volledige optische alternatieven

Er zijn ook enkele volledig optische alternatieven, waarbij geen elektrische signalen betrokken zijn. In plaats daarvan zetten ze infrarood licht direct om in zichtbaar licht. Het zichtbare licht kan vervolgens worden opgevangen door het oog of een camera.

Deze technologieën werken door inkomend infrarood licht te combineren met een sterke lichtbron (een laserstraal) in een materiaal dat bekend staat als ‘niet-lineair kristal’. Het kristal zendt vervolgens licht uit in het zichtbare spectrum.

Niet-lineaire kristallen zijn echter omvangrijk en duur, en kunnen alleen licht detecteren in een smalle band van infraroodfrequenties.

Het onzichtbare zien: kleine kristalfilmpjes kunnen nachtzicht tot een alledaagse realiteit maken.

Een afbeelding met een scanning-elektronenmicroscoop toont de nanokristalstructuren van het metasurface die worden gebruikt om infrarood licht zichtbaar te maken.

Metasurfaces bieden de oplossing

Ons werk bevordert deze volledig optische benadering. In plaats van een niet-lineair kristal wilden we zorgvuldig ontworpen lagen van nanokristallen gebruiken, genaamd ‘metasurfaces’. Metasurfaces zijn ultradun en ultralicht en kunnen worden aangepast om de kleur of frequentie van het licht dat erdoorheen gaat te manipuleren.

Dit maakt metasurfaces een aantrekkelijk platform om infrarode fotonen om te zetten in het zichtbare. Belangrijk is dat transparante metasurfaces infraroodbeeldvorming mogelijk kunnen maken en tegelijkertijd normaal zicht mogelijk kunnen maken.

Onze groep wilde infraroodbeelden met metasurfaces demonstreren. We hebben een metasurface ontworpen dat bestaat uit honderden ongelooflijk kleine kristalantennes gemaakt van de halfgeleider galliumarsenide.

Dit metasurface is ontworpen om licht te versterken door resonantie op bepaalde infraroodfrequenties, evenals de frequentie van de laser en de zichtbare lichtopbrengst. Vervolgens hebben we het metasurface gefabriceerd en overgebracht naar transparant glas, waardoor een laag nanokristallen op een glasoppervlak ontstond.

Om ons metasurface te testen, hebben we het verlicht met infraroodbeelden van een doel en zagen dat de infraroodbeelden werden omgezet in zichtbare groene beelden. We hebben dit getest met verschillende posities van het doel, en ook zonder doel, zodat we de groene emissie van het metasurface zelf konden zien. In de verkregen beelden komen de donkere strepen overeen met het infrarode doel, omgeven door de groene zichtbare emissie.

Deze paren afbeeldingen tonen de vorm van het infrarooddoel links en het zicht in zichtbaar licht door het metasurface rechts.

Ondanks dat verschillende delen van de infraroodbeelden werden opgewaardeerd door onafhankelijke nanokristallen waaruit het metasurface bestaat, werden de beelden goed gereproduceerd in zichtbaar licht.

Hoewel ons experiment slechts een proof of concept is, kan deze technologie in principe veel dingen doen die niet mogelijk zijn met conventionele systemen, zoals een bredere kijkhoek en meerkleurige infraroodbeelden.

De toekomst van metasurfaces in nieuwe technologieën

De vraag naar het detecteren van infrarood licht, onzichtbaar voor het menselijk oog, groeit voortdurend, dankzij een grote verscheidenheid aan toepassingen die verder gaan dan nachtzicht. De technologie zou kunnen worden gebruikt in de landbouwsector om de controle op de voedselkwaliteit te helpen monitoren en handhaven, en in teledetectietechnieken zoals LIDAR – een technologie die helpt bij het in kaart brengen van natuurlijke en door de mens gemaakte omgevingen.

In een bredere context neemt het gebruik van metasurfaces voor het detecteren, genereren en manipuleren van licht een hoge vlucht. Het benutten van de kracht van metasurfaces zal ons dichter bij technologieën brengen zoals real-time holografische displays, kunstmatige visie voor autonome systemen en ultrasnelle, op licht gebaseerde Wi-Fi.

Delen: