對于看過很多動(dòng)作片或者玩過《使命召喚》的人來說，一定不會(huì)對這樣的景象感到陌生：在一個(gè)幽靈般綠色的畫面中，看不見的物體變得可見。自從上世紀(jì)60年代中期第一臺夜視儀問世以來，這項(xiàng)技術(shù)就引發(fā)了大眾的想象。
夜視鏡、紅外攝像機(jī)和其它類似的設(shè)備能檢測從物體反射的紅外光，或者更確切地說是檢測物體因?yàn)楹袩崃慷l(fā)出的紅外光。如今，這些設(shè)備不僅被軍(分隔符)方廣泛使用，還被執(zhí)法和緊急服務(wù)、安全和監(jiān)控行業(yè)、獵人和露營愛好者廣泛使用。
但當(dāng)前的技術(shù)并非沒有問題。商用紅外攝像機(jī)阻擋可見光，干擾了正常的視野，這種裝置體積龐大且笨重，需要冷卻（在某些情況下甚至需要低溫冷卻）才能工作。
澳大利亞的的研究人員發(fā)明了一項(xiàng)新技術(shù)，利用超薄的納米晶體層使紅外光變得可見，解決了當(dāng)前設(shè)備長期存在的許多問題。該研究發(fā)表在《*光子學(xué)》（Advanced Photonics）期刊上。研究人員的最終目標(biāo)是制造一種可以放置在眼鏡或其他鏡片上的輕質(zhì)薄膜層，由一個(gè)微型內(nèi)置激光器驅(qū)動(dòng)，使人們在黑暗中也能看見東西。
傳統(tǒng)的紅外探測
商用紅外攝像機(jī)將紅外光轉(zhuǎn)換為電信號，然后顯示在顯示屏上。由于紅外光的能量和頻率較低，因此它們需要低溫才能運(yùn)行。這使得傳統(tǒng)的紅外探測器體積龐大且笨重——一些安全人員報(bào)告說，由于經(jīng)常使用夜視鏡，造成了慢性頸部損傷。
當(dāng)前技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是它阻礙了可見光的傳輸，從而擾亂了正常的視覺。在某些情況下，紅外圖像可以被發(fā)送到顯示器，而不影響正常的視覺。然而，當(dāng)用戶在移動(dòng)時(shí)，這種解決方案并不可行。
全光替代方案
還有一些不涉及電信號的全光替代方案。在這些方案中，儀器能直接將紅外光轉(zhuǎn)化為可見光從而被眼睛或照相機(jī)識別。這些技術(shù)的工作原理是在一種被稱為“非線性晶體"的材料中，將入射的紅外光與一束強(qiáng)光源( 一束激光束)相結(jié)合，然后晶體發(fā)出可見光譜的光。
然而，非線性晶體體積龐大，價(jià)格昂貴，而且只能探測到紅外波段較窄的光。新的研究工作完善了這種全光方法。研究人員用精心設(shè)計(jì)的納米晶層來代替非線性晶體。這些納米晶層被稱為“超表面"，它們是超薄、超輕，可以通過調(diào)整來控制通過它們的光的顏色或頻率。這使得超表面成為將紅外光子轉(zhuǎn)換為可見光的有吸引力的平臺。重要的是，透明的超表面可以實(shí)現(xiàn)紅外成像，同時(shí)允許正常視覺。
研究團(tuán)隊(duì)開始展示超表面的紅外成像。他們設(shè)計(jì)了一個(gè)由數(shù)百個(gè)半導(dǎo)體砷化鎵制成的極其微小的晶體天線組成的超表面。這個(gè)超表面被設(shè)計(jì)成在一定的紅外頻率、激光頻率和可見光輸出下通過共振放大光。然后我們制造了超表面并將其轉(zhuǎn)移到透明玻璃上，在玻璃表面形成一層納米晶體。
為了測試這個(gè)超表面，研究人員用目標(biāo)的紅外圖像照亮它，看到紅外圖像被轉(zhuǎn)換成可見的綠色圖像。他們對不同位置的目標(biāo)以及沒有任何目標(biāo)進(jìn)行了測試——這樣可以看到超表面本身的綠色發(fā)光。在獲得的圖像中，深色條紋對應(yīng)的是紅外目標(biāo)，被綠色可見發(fā)射物包圍。盡管紅外圖像的不同部分被轉(zhuǎn)移到了超表面的獨(dú)立納米晶體上，但圖像在可見光下得到了很好的再現(xiàn)。雖然實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)概念證明，但這項(xiàng)技術(shù)原則上可以做很多傳統(tǒng)系統(tǒng)無法做到的事情，比如更廣的視角和多色紅外成像。
超表面在新技術(shù)中的發(fā)展前景
由于除了夜視之外的廣泛應(yīng)用，對人眼看不見的紅外光的探測需求不斷增長，這項(xiàng)技術(shù)可用于農(nóng)業(yè)行業(yè)，幫助監(jiān)測和維持食品質(zhì)量控制，也可用于遙感技術(shù)，如激光雷達(dá)（LIDAR）——一種幫助繪制自然和人造環(huán)境地圖的技術(shù)。
在更廣泛的背景下，利用超表面來探測、生成和操縱光的技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。利用超表面的力量將使我們更接近實(shí)時(shí)全息顯示、自主系統(tǒng)的人工視覺和基于超快光的wifi等技術(shù)。
