Что есть цвет? Википедия говорит следующее: качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона. Важным словом в данном определении является «субъективная», поскольку цвет объекта зависит от того, кто или что на него смотрит. Человеческий глаз, к примеру, способен фиксировать цвета в достаточно узком диапазоне примерно от 380 до 720 нм. Свою зрительную ограниченность человек смог преодолеть с помощью технологий, однако далеко не всегда они позволяют увидеть абсолютно все. Ученые из Тель-Авивского университета (Израиль) разработали новый метод визуализации объектов, которые ни человеческий глаз, ни обычные камеры не могут зафиксировать. Данный метод позволяет увидеть водород, углерод, а также другие вещества или биологические соединения. Что легло в основу новой методики визуализации, каковы принципы ее работы, и где ее можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Ученые отмечают, что на данный момент уже существуют методы визуализации, когда фотоны среднего инфракрасного диапазона (MIR от mid-infrared; длина волны от 3 до 50 мкм в соответствии с ISO) преобразуются в фотоны видимого и ближнего ИК-диапазона через нелинейный кристалл и обнаруживаются кремниевыми детекторами. Такой метод позволяет обойти необходимость в дорогостоящих тепловых датчиках и в охлаждении образцов. Однако и у него есть недостатки: ограниченный спектральный отклик, ограниченное пространственное разрешение и низкая чувствительность. Например, современные методики получения изображений в среднем ИК-диапазоне на базе антимонида индия (InSb) и теллурида кадмия ртути (MCT) весьма дороги, часто требуют охлаждения, а также не имеют спектральной характеристики и пространственного разрешения их аналога в видимом-ближнем ИК диапазоне (VIS-NIR; 1a).


Изображение №1

Визуализация с повышением частоты также применяется для сверхбыстрого обнаружения при преобразовании частоты совпадений. Однако, как и любое обычное нелинейно-оптическое преобразование, этот метод страдает от проблемы фазового рассогласования, т.е. от отсутствия сохранения собственного импульса между взаимодействующими волнами (1b). Как следствие, данная методика применима лишь в очень узком спектральном диапазоне, где фазовое рассогласование может быть скомпенсировано. Посему для визуализации в широком спектре требуется серия последовательных съемок, что не особо удобно и быстро.

За последние годы было множество попыток решить вышеперечисленные проблемы. Одним из самых успешных в этом начинании стал метод адиабатического преобразования частот (AFG от adiabatic frequency generation), который позволяет эффективно, быстро и надежно передавать широкополосные, видимые и ближние ИК-излучения лазера в оптические системы и обратно. Однако до сегодняшнего дня этот метод применялся только для генерации когерентных источников и не использовался в качестве базиса для визуализации изображений.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые описывают новую схему визуализации на основе адиабатическом преобразовании частот, способную преобразовывать сверхширокополосные когерентные изображения в среднем ИК-диапазоне в спектральный диапазон VIS-NIR (видимый-ближний ИК диапазон).

Этот подход позволил создать широкополосное цветное изображение, охватывающее одну октаву* в среднем ИК-диапазоне (2–4 мкм). При этом использовался недорогой, высокочувствительный и быстрый CMOS-датчика видимого диапазона без необходимости настраивать условия фазового согласования кристалла-преобразователя (1c).

Октава* — единица частотного интервала, равная интервалу между двумя частотами.

Экспериментальная установка

Для начала необходимо было разработать кристалл адиабатического сложения частот (ASFG от adiabatic sum frequency generation), в котором фазовое рассогласование между сигналами накачки (1030 нм) и преобразованными с повышением частоты сигналами среднего ИК-диапазона (2–4 мкм) будет компенсироваться методом полинга. В результате этого удавалось получить адиабатический переменный период (от 14.4 до 23.8 мкм) вдоль оси распространения кристалла, что обеспечивает в среднем 20% эффективности преобразования в диапазоне 2–4 мкм.


Изображение №2

Затем ASFG кристалл был добавлен в экспериментальную установку визуализации (2a), что позволило получить сверхширокое преобразование изображения из среднего ИК (2–4 мкм) в видимый-ближний ИК-диапазоны от 690 до 820 нм.

Также был применен сверхбыстрый импульс с частотой повторения 2 МГц на длине волны 1030 нм с полушириной 20 нм (FWHM от full width at half maximum, т.е. полная ширина на уровне половинной амплитуды), который использовался в качестве накачки (2a) для генерации настраиваемого излучения среднего ИК-диапазона в диапазоне 2–4 мкм через настраиваемый оптический кристалл параметрической генерации (OPG от optical parametric generation), а также для накачки (средняя мощность 1.5 Вт) процесса ASFG с повышающим преобразованием.

Сгенерированное MIR излучение (мощность 160 мВт) освещает цель вместе с ASFG кристаллом, размещенным в плоскости Фурье. Это приводит к преобразованию с повышением частоты MIR излучения в VIS-NIR. Затем на матрице формируется VIS-NIR изображение.

Результаты экспериментов

После подготовки экспериментальной установки были проведены опыты по визуализации, охватывающие спектр 2-4 мкм.

На изображении 2b показано преобразование изображений с длиной волны 2, 3.3 и 4 мкм в MIR диапазоне в изображения с длиной волны 680, 790 и 820 нм соответственно.

Ученые отмечают, что использование фильтр Байера* на CMOS-камере позволяет визуализировать различные цвета VIS-NIR.

Фильтр Байера* — двумерный массив цветных фильтров, которыми накрыты фотодиоды фотоматриц.

Благодаря процессу преобразования эти цвета имеют близкое отношение к длине волны среднего ИК-диапазона (при условии, что накачка намного уже, чем входной MIR сигнал), и поэтому эти результаты представляют собой первую демонстрацию многоцветной визуализации в среднем ИК-диапазоне, основанной на повышающем преобразовании ASFG без компенсации фазового согласования.

Далее ученые провели демонстрацию возможности сверхбыстрой временной визуализации посредством экспериментальной установки.


Изображение №3

На входе имелся OPG сигнал в среднем ИК-диапазоне, содержащий две различные длины волн: 2 и 4 мкм. Сгенерированный MIR сигнал далее проходил через кремниевое окно толщиной 5 мм, которое из-за его дисперсии вызывает временное разделение между спектральными компонентами сигнала, что отчетливо видно на профиле MIR сигнала на 3а (оранжевая кривая).

Данное MIR излучение освещает цель, как это было и в предыдущем опыте. Однако на этот раз линия задержки сканируется, а изображения VIS-NIR (3b) и спектры (3c) записываются одновременно в зависимости от задержки между накачкой 1030 нм и MIR сигналом.

Кремниевое окно вызывает достаточную спектральную дисперсию в двухцветном MIR сигнале, чтобы его можно было различить во времени с помощью относительно короткой накачки 1030 нм (?800 фс), что позволяет отображать одну и ту же маску на двух длинах волн отдельно (верхняя и нижняя пунктирные линии на 3c).

Благодаря уникальной способности широкополосного преобразования ASFG также наблюдается одновременное преобразование с повышением частоты двух длин волн (средняя пунктирная линия на 3c), что является результатом перекрытия накачки 1030 нм и двух временно распределенных длин волн.

Проведенный контрольный эксперимент с растянутой накачкой 1030 нм (?2 пс) и без кремниевого окна не показал возможности временного разделения двух спектральных компонентов.


Изображение №4

На изображении выше показан этот контрольный эксперимент. В данном случае импульс накачки был растянут (?2 пс), а кремниевое окно толщиной 5 мм было удалено.

Несмотря на то, что возможно выделить преобразованное с повышением частоты изображение на 820 нм (соответствует пику 4 мкм), временное перекрытие между 2 и 4 мкм слишком значительно, чтобы изолировать преобразованное с повышением частоты изображение на 690 нм (соответствует пику 2 мкм).

Следовательно, разделение двух длин волн на изображении №3 является результатом достаточно короткого импульса накачки 1030 нм и достаточно значительной дисперсии, вызванной кремниевым окном.

Далее были проведены опыты, нацеленные на тестирование разрешающей способности разработанной системы визуализации. Для этого использовалась стандартная цель 1951 USAF.


Внешний вид тестовой цели 1951 USAF.


Изображение №5

На изображении выше видно, максимальное достигнутое разрешение составило 2 мкм при 28.51 парах линий на миллиметр.

Основным фактором, который ограничивает разрешение устройства, является небольшой размер апертуры кристалла (1 мм в ширину и 1 мм в высоту), который действует как пространственный фильтр в плоскости Фурье и приводит к фильтрации высокопространственных частот, поскольку распределение преобразования Фурье больше, чем апертура кристалла. Следовательно, совершенствование процесса изготовления кристаллов позволит решить эту проблему.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данной работе ученым удалось показать, что применение адиабатического преобразования позволяет преобразовать изображение среднего ИК (2-4 мкм; MIR) в изображение видимого-ближнего диапазона инфракрасного излучения (VIS-NIR). За счет этого ученым удалось визуализировать MIR изображения с помощью цветной CMOS-камеры.

По словам ученых, их методика станет неотъемлемой составляющей инструментария во многих отраслях, от биологии и медицины до инженерии и астрономии. И это не преувеличение, ибо расширяя способности визуализации того, что скрыто от человеческого взора, мы получаем возможность рассмотреть, а значит и изучить, многие явления, процессы и вещества, которые ранее были куда более таинственными для нас. К примеру, устройство на базе данной технологии может в реальном времени мониторить состояние окружающей среды без необходимости проводить дополнительные анализы и тесты, так как он сможет буквально видеть загрязняющие вещества.

В царстве слепых и одноглазый — король. Человек, несмотря на множество технологий, устройств и методик, по-прежнему слеп в аспекте понимания мира. Вокруг нас очень много тайн, которые так и остались бы неразгаданны, если бы не энтузиазм и жажда знаний ученых, чьи труды шаг за шагом разрушают стену невежества, даруя нам свет истины.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?