แว่นตามองกลางคืน กล้องอินฟราเรด และอุปกรณ์อื่นที่คล้ายคลึงกันจะตรวจจับแสงอินฟราเรดที่สะท้อนจากวัตถุ หรือแทนที่จะตรวจจับแสงอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุในรูปของความร้อน ปัจจุบันอุปกรณ์เหล่านี้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายไม่เพียงแต่ในกองทัพเท่านั้น แต่ยังใช้ในการบังคับใช้กฎหมายและบริการฉุกเฉิน อุตสาหกรรมการรักษาความปลอดภัยและการเฝ้าระวัง นักล่าสัตว์ป่า และผู้ที่ชื่นชอบการตั้งแคมป์
เป้าหมายสุดท้ายของเราคือการสร้างชั้นแสงคล้ายฟิล์มที่สามารถ
นั่งบนแว่นตาหรือเลนส์อื่นๆ ได้ ซึ่งขับเคลื่อนโดยเลเซอร์ขนาดเล็กในตัว ทำให้ผู้คนมองเห็นในที่มืดได้
กล้องอินฟราเรดเชิงพาณิชย์แปลงแสงอินฟราเรดเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งจะแสดงบนหน้าจอแสดงผล พวกเขาต้องการอุณหภูมิต่ำเนื่องจากพลังงานและความถี่ของแสงอินฟราเรดต่ำ สิ่งนี้ทำให้เครื่องตรวจจับอินฟราเรดทั่วไปมีขนาดใหญ่และหนัก – เจ้าหน้าที่ รักษาความปลอดภัยบางคนรายงานว่ามีอาการบาดเจ็บที่คอเรื้อรังเนื่องจากการใช้แว่นตามองกลางคืนเป็นประจำ
ข้อเสียอีกประการหนึ่งของเทคโนโลยีในปัจจุบันคือเทคโนโลยีนี้ปิดกั้นการส่งผ่านของแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งจะทำให้การมองเห็นปกติหยุดชะงัก ในบางกรณี ภาพอินฟราเรดอาจถูกส่งไปยังจอภาพ ทำให้การมองเห็นปกติยังคงอยู่ อย่างไรก็ตาม วิธีแก้ปัญหานี้ไม่สามารถทำได้เมื่อผู้ใช้กำลังเดินทาง
นอกจากนี้ยังมีทางเลือก ออปติกทั้งหมด ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับสัญญาณไฟฟ้า แต่จะแปลงแสงอินฟราเรดให้เป็นแสงที่มองเห็นได้โดยตรง จากนั้นตาหรือกล้องจะจับภาพแสงที่มองเห็นได้
เทคโนโลยีเหล่านี้ทำงานโดยการรวมแสงอินฟราเรดที่เข้ามากับแหล่งกำเนิดแสงที่แรงมาก – ลำแสงเลเซอร์ – ภายในวัสดุที่เรียกว่า “คริสตัลไม่เชิงเส้น” จากนั้นคริสตัลจะเปล่งแสงออกมาในสเปกตรัมที่มองเห็นได้
อย่างไรก็ตาม ผลึกแบบไม่เชิงเส้นนั้นมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง และสามารถตรวจจับแสงได้ในแถบความถี่อินฟราเรดแคบๆ เท่านั้น งานของเราพัฒนาวิธีการแบบออปติกทั้งหมดนี้ แทนที่จะใช้คริสตัลที่ไม่เชิงเส้น เราเริ่มใช้ชั้นของนาโนคริสตัลที่ออกแบบอย่างพิถีพิถันที่เรียกว่า “เมตาพื้นผิว” Metasurfaces นั้นบางเฉียบและเบาเป็นพิเศษ และสามารถปรับแต่งเพื่อปรับสีหรือความถี่ของแสงที่ผ่านเข้ามาได้
สิ่งนี้ทำให้ metasurfaces เป็นแพลตฟอร์มที่น่าสนใจในการแปลงโฟ
ตอนอินฟราเรดให้มองเห็นได้ ที่สำคัญ metasurfaces ที่โปร่งใสสามารถเปิดใช้งานการถ่ายภาพอินฟราเรดและช่วยให้มองเห็นได้ตามปกติในเวลาเดียวกัน
กลุ่มของเราเริ่มสาธิตการถ่ายภาพอินฟราเรดด้วยเมตาพื้นผิว เราออกแบบพื้นผิวเมตาที่ประกอบด้วยเสาอากาศคริสตัลขนาดเล็กเหลือเชื่อหลายร้อยชิ้นที่ทำจากสารกึ่งตัวนำแกลเลียมอาร์เซไนด์
metasurface นี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อขยายแสงโดยการสั่นพ้องที่ความถี่อินฟราเรดบางความถี่ เช่นเดียวกับความถี่ของแสงเลเซอร์และแสงที่มองเห็นได้ จากนั้นเราสร้างเมตาพื้นผิวและถ่ายโอนไปยังกระจกใส ก่อตัวเป็นชั้นของผลึกนาโนบนพื้นผิวกระจก
ในการทดสอบ metasurface ของเรา เราส่องมันด้วยภาพอินฟราเรดของเป้าหมายและเห็นว่าภาพอินฟราเรดถูกแปลงเป็นภาพสีเขียวที่มองเห็นได้ เราทดสอบสิ่งนี้กับตำแหน่งต่างๆ ของเป้าหมาย และไม่มีเป้าหมายเลย — ดังนั้นเราจึงสามารถเห็นการเปล่งแสงสีเขียวของ metasurface เอง ในภาพที่ได้รับ แถบสีเข้มจะตรงกับเป้าหมายอินฟราเรด ซึ่งล้อมรอบด้วยแสงสีเขียวที่มองเห็นได้
แม้ว่าส่วนต่าง ๆ ของภาพอินฟราเรดจะถูกแปลงขึ้นโดยผลึกนาโนอิสระที่ประกอบเป็น metasurface แต่ภาพก็ยังสร้างได้ดีในแสงที่มองเห็นได้
แม้ว่าการทดลองของเราจะเป็นเพียงการพิสูจน์แนวคิด แต่โดยหลักการแล้ว เทคโนโลยีนี้สามารถทำหลายสิ่งหลายอย่างที่ไม่สามารถทำได้ในระบบทั่วไป เช่น มุมมองภาพที่กว้างขึ้นและการถ่ายภาพอินฟราเรดแบบหลายสี
อนาคตของ metasurfaces ในเทคโนโลยีใหม่
ความต้องการในการตรวจจับแสงอินฟราเรดซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาของมนุษย์นั้นเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากการใช้งานที่หลากหลายนอกเหนือจากการมองเห็นในตอนกลางคืน เทคโนโลยีนี้สามารถนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการเกษตรเพื่อช่วยตรวจสอบและคงไว้ซึ่งการควบคุมคุณภาพอาหาร และในเทคนิคการสำรวจระยะไกล เช่น LIDAR ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยจัดทำแผนที่สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้น
ในบริบทที่กว้างขึ้น การใช้ metasurfaces เพื่อตรวจจับ สร้าง และจัดการกับแสงกำลังเฟื่องฟู การใช้ประโยชน์จากพลังของ metasurfaces จะทำให้เราเข้าใกล้เทคโนโลยีมากขึ้น เช่น การแสดงภาพโฮโลแกรมแบบเรียลไทม์ การมองเห็นประดิษฐ์สำหรับระบบอัตโนมัติ และ wifi ที่ใช้แสงเร็วเป็นพิเศษ
