科学家开发了通过热窗增强热成像的涂层

莱斯大学的一个科学家团队解决了热成像中的一个长期问题，使通过热窗捕捉物体的清晰图像成为可能。Rice的电气和计算机工程副教授、该研究的通讯作者Gururaj Naik说：“假设你想使用热成像来监测高温反应室中的化学反应。”。“您将面临的问题是，窗户本身发出的热辐射会淹没相机，遮挡另一侧物体的视线。”

一种可能的解决方案可能是在窗户上涂上一种抑制朝向相机的热光发射的材料，但这也会使窗户不透明。为了解决这个问题，研究人员开发了一种涂层，该涂层依赖于工程不对称性来过滤热窗口的热噪声，与传统方法相比，热成像的对比度提高了一倍

这一突破的核心在于纳米级谐振器的设计，其功能类似于微型音叉，在特定频率内捕获和增强电磁波。谐振器由硅制成，并组织成精确的阵列，可以精细控制窗口如何发射和传输热辐射

Naik说：“对我们来说，一个有趣的问题是，是否有可能抑制窗口向相机的热发射，同时保持被观察物体侧面的良好透射。”。“信息论对任何被动系统的答案都说‘不’。然而，存在一个漏洞——实际上，相机在有限带宽内运行。我们利用这个漏洞，创造了一种涂层，可以在宽带内抑制窗口向相机的热发射，但只会在窄带内减少成像物体的传输。”

这是通过设计一种由两层不同类型的谐振器组成的超材料来实现的，这两层谐振器由间隔层隔开。该设计允许涂层抑制指向相机的热辐射，同时保持足够的透明度，以捕获窗户后面物体的热辐射

莱斯大学工程学博士、该研究的第一作者Ciril Samuel Prasad说：“我们对这个问题的解决方案受到了量子力学和非厄米光学的启发。”

结果是一个革命性的不对称元窗口，能够在高达873 K（约600℃）的温度下进行清晰的热成像

这一突破的意义重大。一个直接的应用是化学加工，其中监测高温室内的反应至关重要。除了工业用途外，这种方法还可以通过解决长期存在的“水仙效应”来彻底改变高光谱热成像，即相机本身的热辐射会干扰成像。研究人员设想在节能、辐射冷却甚至国防系统中的应用，在这些领域，精确的热成像至关重要

研究人员指出：“这是一项颠覆性的创新。”。“我们不仅解决了一个长期存在的问题，还为极端条件下的成像打开了新的大门。使用超表面和谐振器作为设计工具，可能会将热成像以外的许多领域从能量收集转变为先进的传感技术。”美国陆军研究实验室高级科学家、莱斯大学兼职教师Henry Everitt也是这项研究的作者 More information: Ciril Samuel Prasad et al, Thermal imaging through hot emissive windows, Communications Engineering (2024). DOI: 10.1038/s44172-024-00316-y

Journal information: Communications Engineering