Допустим, вы хотите использовать тепловидение для мониторинга химических реакций в высокотемпературной реакторной камере, — говорит Гурадж Найк, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Райсе и автор-корреспондент исследования.

Проблема заключается в том, что тепловое излучение, испускаемое самим окном, перегружает камеру, закрывая обзор объектов по другую сторону.

Возможным решением может стать покрытие окна материалом, который подавляет тепловое излучение в сторону камеры, но это также сделает окно непрозрачным. Чтобы обойти эту проблему, исследователи разработали покрытие, которое на основе специально созданной асимметрии отфильтровывает тепловой шум горячего окна, удваивая контрастность тепловизионного изображения по сравнению с традиционными методами.

Результаты опубликованы в журнале Communications Engineering.

Суть этого прорыва заключается в разработке наноразмерных резонаторов, которые функционируют как миниатюрные вилки, улавливая и усиливая электромагнитные волны в определенных частотах. Резонаторы изготовлены из кремния и организованы в точный массив, который позволяет точно контролировать, как окно испускает и пропускает тепловое излучение.

Интригующий вопрос для нас заключался в том, можно ли подавить тепловое излучение окна в сторону камеры, сохранив при этом хорошую передачу со стороны визуализируемого объекта, — говорит Найк.

Теория информации диктует ответ «нет» в любой пассивной системе. Однако здесь есть лазейка — на самом деле камера работает в ограниченном диапазоне частот. Мы воспользовались этой лазейкой и создали покрытие, которое подавляет тепловое излучение от окна в сторону камеры в широкой полосе, но уменьшает излучение от объекта изображения в узкой полосе.

Этого удалось достичь благодаря разработке метаматериала, состоящего из двух слоев резонаторов разных типов, разделенных разделительным слоем. Такая конструкция позволяет покрытию подавлять тепловое излучение, направленное на камеру, оставаясь при этом достаточно прозрачным, чтобы улавливать тепловое излучение от объектов за окном.

Наше решение проблемы черпает вдохновение в квантовой механике и неэрмитовой оптике, — говорит Цирил Самуэль Прасад, выпускник инженерного факультета Райса и первый автор исследования.

В результате было создано революционное асимметричное метаокошко, способное давать четкое тепловое изображение при температурах до 873 К (около 600 С).

Последствия этого прорыва весьма значительны. Одно из ближайших применений — химическая промышленность, где очень важен мониторинг реакций в высокотемпературных камерах. Помимо промышленного применения, этот подход может произвести революцию в гиперспектральной тепловизионной съемке, устранив давно существующий «эффект Нарцисса», когда тепловые излучения самой камеры мешают съемке. Исследователи предполагают, что он найдет применение в энергосбережении, радиационном охлаждении и даже в оборонных системах, где точное тепловое изображение крайне важно.

Это революционная инновация, — отмечают исследователи.

Мы не только решили давнюю проблему, но и открыли новые возможности для получения изображений в экстремальных условиях». Использование метаповерхностей и резонаторов в качестве инструментов проектирования, вероятно, изменит многие области, помимо тепловидения, — от сбора энергии до передовых сенсорных технологий.

Ранее ученые сообщали, что линзы для тепловидения изготовят на основе графена.