Нанокристаллы могут активировать очки ночного видения с малой мощностью
Исследователи из Австралийского национального университета используют нанокристаллы, чтобы привнести радикальные инновации в технологию ночного видения. Многообещающая технология направлена на то, чтобы свести к минимуму потребность в большой мощности аккумулятора и открывает двери для новых приложений ночного видения в другие области.
Эти кристаллы, которые в 500 раз меньше человеческого волоса, могут изменять интенсивность и цвет света. Исследователи разработали кристаллы таким образом, чтобы они превращались в инфракрасное излучение в видимый свет. Основная идея - создать устройство ночного видения, покрывая обычные линзы ультратонкой пленкой этих крошечных структур. В результате, новые очки ночного видения могут быть намного легче, чем обычные громоздкие бинокулярные устройства и могут заменить их в ближайшем будущем.
Текущие очки ночного видения (NVG)
Обычные очки ночного видения используют объектив с фотокатодом для восприятия низкоуровневого ближнего инфракрасного света и преобразования фотонов в электроны. Затем электронный множитель усиливает этот электронный сигнал и высвобождает сотни электронов. Наконец, эти электроны, имеющие такую же картину, что и фотоны-мишени, направляются на освещение фосфоресцирующего материала, что эффективно позволяет видеть ночью.
Современные высокоэффективные очки ночного видения, такие как L-3 Ground Panoramic Night Vision Goggles, стоят около 65 000 долларов. Эти дорогостоящие NVG предлагают приемлемое разрешение и контрастность; однако они все еще громоздки. Нынешний форм-фактор совсем не подходит для целевых приложений, которые в основном являются военными операциями.
На протяжении многих лет было мало прогресса в уменьшении веса и размера этих устройств, одновременно увеличивая поле зрения.
Прототип очков ночного видения третьего поколения. Изображение предоставлено Министерством обороны США
Очки ночного видения ANU
С другой стороны, изобретение ANU значительно упрощает процесс, используя наноантенны из арсенида алюминия галлия, которые способны непосредственно изменять интенсивность и цвет света. Действуя как лазерные направляющие, кристаллы получают фотон, излучаемый в инфракрасном диапазоне, объединяют их с фотонами от лазера и, наконец, преобразуют комбинированные фотоны в видимый спектр.
В этом случае фотоны из инфракрасного излучения непосредственно преобразуются в видимый свет, и нет необходимости сначала производить электронный сигнал, а затем обрабатывать его. Изобретение по-прежнему требует энергии батареи для лазера, которая усиливает изображение. Однако последний прототип, вероятно, будет использовать небольшой интегрированный лазер, аналогичный используемому в проигрывателях DVD, и эти лазеры могут питаться от небольшой батареи. Поскольку нанокристаллы настолько малы, что четыре или пять миллионов из них могут быть помещены на подложку с одним квадратным миллиметром, форм-фактор будет уменьшен до очень тонкой пленки.
По словам Марии дель Росио Камачо-Моралеса, аспиранта, участвующего в проекте, одной из основных задач изобретения было выращивание нано полупроводника на прозрачном материале. Это особенно важно для оптических дисплеев, где требуется прозрачный материал для пропускания света. Австралийская группа первой в мире достигла этого успеха.
Как отмечает со-исследователь д-р Мохсен Рахмани, исследование является важным шагом вперед в понимании того, как свет взаимодействует с объектами в наномасштабе.
Задачи впереди
До сих пор исследовательская группа успешно превратила одночастотный высокоинтенсивный инфракрасный лазерный свет в видимый свет. К сожалению, интенсивность света играет важную роль в работе проектируемых наноструктур. В реальных ситуациях инфракрасный свет будет иметь меньшую интенсивность, и поэтому новый NVG может потерпеть неудачу. Следовательно, есть, вероятно, еще долгий путь, прежде чем мы увидим эту технологию, используемую на рынке.
Другая задача впереди связана с многочастотным характером реальных ситуаций. Для многочастотного света исследователи должны включать кристаллы разных размеров, где каждый кристалл отвечает за преобразование определенной частоты. Чтобы захватить все частоты в невидимом свете, исследователям понадобятся миллионы наноструктур с различными размерами. Они ожидают, что, используя новый NVG, более теплый спектр будет казаться голубоватым, а кулер будет выглядеть красноватым.
Другие потенциальные приложения
Нано кристаллы, которые могут создавать сложные световые пучки, обладают потенциалом для многих других гражданских возможностей. Используя эти кристаллы с помощью лазера, мы могли бы создать систему для создания голографического изображения в современных дисплеях. Кроме того, изобретение, которое является результатом 15-летнего исследовательского проекта, может быть использовано для борьбы с контрафактными мерами для банкнот и изображений для медицинских приложений.
Как отмечает доктор Рахмани, можно выращивать нанокристаллы на любой поверхности стекла, включая ветровое стекло автомобиля. Таким образом, безопасность вождения в ночное время может быть значительно улучшена.
По словам профессора Драгомира Нешева из Научно-исследовательского института физики и инженерии АНН, сложным моментом новых NVG был дизайн, и хотя изготовление было сложным, оно как-то похоже на изготовление высокоэффективных солнечных элементов для космического развертывания, Исследовательская группа представила DARPA предложение о дальнейшем продвижении технологии. По словам Defenceone.com, в 2014 году DARPA отправила призыв к «компактной, легкой, хедз-ап, широкополосной системе отображения ночного видения для наземных солдат, в которой кросс-диапазонные инфракрасные датчики и освещение обеспечивали надежное наблюдение за всеми обстоятельствами».
Подробности этого исследования опубликованы в Nano Letters.