Как увидеть инфракрасный луч: Как увидеть невидимый инфракрасный свет?

ученые предложили прототип нового визуализатора для инфракрасного лазера

Ученые ИТМО, Алферовского университета (АУ) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали гибкую прозрачную мембрану, делающую ИК-луч видимым для человека. Из нее можно делать визуализаторы, необходимые в оптических лабораториях и на производствах.

Работа ученых опубликована в журнале ACS Nano.

Хорошо известно, что инфракрасное (ИК) излучение невидимо для человеческого глаза. Однако нередко случается так, что людям все же нужно увидеть луч лазера, работающего в ИК-диапазоне. Это необходимо, например, при проверке лазерной установки, а также ее юстировке.

«В настоящее время в области инфракрасной оптики существует задача визуализации ИК-излучения, используемого для тех или иных применений, ― рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета, руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров. ― Такое излучение широко используется в медицине, на производстве, в лидарах, в фундаментальных исследованиях. Лазерные установки ИК-диапазона имеются практически в каждой второй оптической лаборатории, к примеру, только у нас в ИТМО их более сотни».

Сергей Макаров

Чтобы увидеть, излучает ли установка в инфракрасном диапазоне, вовсе не обязательно надевать прибор ночного видения или брать специальную камеру. Для этого используют карточки из специального материала.

«Если вы используете лазер, работающий в видимом диапазоне, то вы можете просто взять тетрадный листок, поставить его поперек луча и увидите на нем точку. С ИК-лазером так не получится ― вы заметите его только тогда, когда он начнет поджигать листок бумаги. Однако для инфракрасного излучения есть карточки из специальных материалов, которые работают по сходному принципу. Если перегородить такой карточкой путь лучу, вы увидите точку на ее поверхности. Они сделаны с добавлением ионов редкоземельных металлов, которые поглощают ИК, излучают и преобразуют его в видимый спектр», ― поясняет Сергей Макаров.

Слева: инфракрасный луч проходит через разработанный визуализатор и попадает далее на коммерческий непрозрачный аналог. Справа: демонстрация высокой гибкости визуализатора в режиме эксплуатации. Иллюстрация предоставлена авторами статьи.

Такие карточки являются важным компонентом для любой оптической лаборатории или производства с ИК-лазером. Однако у них, по словам ученых, есть ряд недостатков ― начиная от высокой цены и заканчивая сравнительно маленьким сроком службы. Кроме того, они не универсальны и подойдут не для любой установки.

«Так как они работают на реальном поглощении инфракрасного излучения и преобразовании его в видимый спектр, то их можно использовать только на определенной длине волны, ― поясняет аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Дарья Маркина. ― Их делают под самые распространенные длины волн: около 1000 нанометров (для медицины) и 1500 нанометров (для телекома). Но зачастую требуется использовать и настроить лазер на нестандартной длине волны. Мы часто сталкивались с тем, что для одного диапазона карточки работают хорошо, но для другого почти не работают и получается, что надо заказывать новые, тратить порядка 100 долларов за штуку, потом они выгорают, и надо опять покупать новые».

При помощи предложенной технологии инфракрасное излучение может быть преобразовано в любой из цветов радуги. Числа на картинках соответствуют длинам волн преобразованного излучения. Иллюстрация предоставлена авторами статьи.

Постоянно сталкиваясь с неудобствами из-за дороговизны и недолговечности используемых ИК-визуализаторов, ученые из Университета ИТМО, Алферовского университета (АУ) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили применить свои фундаментальные работы для создания материала для ИК-визуализаторов нового поколения, лишенных многих недостатков использующейся сейчас продукции.

«Мы как физики-оптики понимаем, как это работает, и тем более у нас есть хороший задел в области наноматериалов, нанотехнологий. Мы уже давно исследуем такие эффекты, как преобразование ИК-излучения в видимый диапазон за счет генерации оптических гармоник на наноструктурах, ― объясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Михаил Петров. ― В работах последних лет мы на фундаментальном уровне изучили основные аспекты того, как лазерное излучение преобразуется в видимый на наночастицах».

Михаил Петров

Для создания прототипа были выбраны нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия (GaP). Ученые из Алферовского университета уже давно работают над выращиванием наноструктур из этого материала, имеющего очень интересные оптические свойства.

«В связи с тем, что кристаллическая решетка этого материала нецентросимметрична, он может уменьшать в два раза длину волны падающего на него излучения. Так ИК-свет с длиной волны в 1000 нанометров преобразуется в видимое излучение в 500 нанометров, то есть в зеленовато-голубое. Этот принцип работает для излучения в широком диапазоне длин волн, что решает первую проблему многих существующих карточек для ИК-визуализации ― их неуниверсальность и спектральную ограниченность», ― отметил старший научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии АУ Владимир Федоров.

Владимир Федоров. Источник: spbau.ru

«В нашей лаборатории в АУ были выращены нитевидные кристаллы (ННК) фосфида галлия вертикально на подложке, ― рассказывает заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии АУ Иван Мухин. ― Затем мы залили их тонким слоем полимера, оторвали его от подложки и получили мембрану, нашпигованную этими наноструктурами. В некотором смысле это совершенно уникальная для РФ технология. Так получилась гибкая, тонкая, полупрозрачная пленка, которая пропускает через себя ИК-луч без существенных искажений, уменьшая его длину волны, делая его видимым для человеческого глаза. Все эти работы возможны благодаря приличному технологическому оснащению нашей лаборатории».

Иван Мухин

Старший научный сотрудник АУ Владимир Неплох добавляет: гибкие оптоэлектронные приборы сейчас крайне актуальны.

«Они находят свое применение не только в ИК-структурах, но и в дисплеях и сенсорных экранах. Мы считаем, что структуры на основе ННК в ближайшем будущем создадут новое поколение устройств и заменят существующие решения», ― говорит он.

Прозрачность пленки имеет очень важное значение. Существующие образцы не пропускают излучение: подобно листку бумаги они полностью преграждают дорогу лучу. Сквозь образец, полученный петербургскими учеными, свет проходит, что делает использование намного проще.

«Настройка оптических систем, юстировка занимает зачастую многие часы, чтобы просто перенаправить луч, а это приходится делать почти каждый день. Часто надо его отразить от нескольких зеркал под определенным углом. Это очень тонкая настройка. В случае с ИК приходится работать фактически вслепую, ― рассказывает Мария Тимофеева, сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). ― Намного удобнее вести настройку, когда установка включена и мы видим преобразованный луч. Просто поставить непрозрачную карточку не всегда удобно, ведь иногда, настроив один блок установки, надо юстировать другой, желательно контролируя, как в это время идет луч. Таким образом с прозрачной карточкой мы убиваем сразу двух зайцев: мы видим свет и не преграждаем ему путь ― на рынке мы аналогов с подобным характеристиками не встречали. Это важный этап ― переход от фундаментальной работы с одиночными частицами к реальной технологии сантиметрового масштаба».

Статья: V.V. Fedorov, A. Bolshakov, O. Sergaeva, V. Neplokh, D. Markina, S. Bruyère, G. Saerens, M.I. Petrov, R. Grange, M. Timofeeva, S.V. Makarov, I.S. Mukhin. Gallium Phosphide Nanowires in a Free-Standing, Flexible, and Semitransparent Membrane for Large-Scale Infrared-to-Visible Light Conversion, ACS Nano, 2020/10. 1021/acsnano.0c04872

К началу

«Увидеть» инфракрасный свет

Физиология

Голова вампировой летучей мыши (Desmodus rotundus). Инфракрасные рецепторы расположены в листовых ямках вокруг носа (*)

: 26.10.2015

Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне между красной областью видимого спектра и областью микроволн. Еще его называют тепловым, так как человек может воспринимать его как ощущение тепла. Среди живых организмов «видеть» тепловое излучение могут некоторые змеи и вампировые летучие мыши, которые питаются кровью. Нос летучих мышей-вампиров снабжен инфракрасным детектором, позволяющим «видеть» кровь, бегущую по венам, и с первой попытки попадать зубами в вену жертвы. Для остальных животных, включая человека, тепловая картина мира закрыта для восприятия.

Нейрофизиологи из Университета Дьюка (США) М. Николелис и Э. Томсон пытаются снабдить чувством инфракрасного излучения лабораторных крыс. В предыдущих экспериментах, проведенных в 2013 г., они соединили датчик инфракрасного излучения, который размещался у крысы на голове, с соматосенсорной зоной коры (центр осязания) головного мозга крыс. Датчик принимал инфракрасное излучение, передавал об этом электрический сигнал в мозг животного, и крысы воспринимали волны инфракрасного диапазона как физическое ощущение. Поначалу крысы реагировали беспокойно: начинали чиститься и потирать усы. Но довольно быстро они прекращали волноваться и адаптировались к новому чувству.

Ученые ставили зверькам обучающие задачи – например, крысы должны были находить по «инфракрасному лучу» миску с водой. В разных вариантах эксперимента обучение длилось разное время – больше месяца в случае, когда крысе имплантировали единичный электрод, и всего 4 дня, когда система имплантированных электродов позволяла животному воспринимать инфракрасное излучение с углом «обзора» 360 градусов.

Затем исследователи сменили место локализации имплантата и внедрили его крысам не в соматосенсорную, а в зрительную кору. Крысы, получавшие «визуальный» аналог восприятия инфракрасного цвета, научились связывать инфракрасное свечение с местонахождением поилки всего за один день.

Очень важно, что внедрение в мозг устройств, обеспечивающих дополнительное восприятие, не дало помех на существующие органы чувств, иначе пришлось бы отказаться от любого потенциального терапевтического приложения этой разработки. Но, похоже, что восприятие инфракрасного излучения хорошо интегрируется как со зрением, так и с осязанием; ни зрительная, ни соматосенсорная кора не становится «инфракрасной корой», она способна выполнять обе задачи одновременно.

Такой уровень пластичности мозга, причем, мозга взрослого организма, оказался довольно поразительным для ученых. То, что мозг крысы так легко воспринял новый, абсолютно чужой для него тип информации, позволяет надеяться и на то, что пластичность человеческого мозга окажется не менее высокой. Таким образом, эти эксперименты обнадеживают специалистов в области нейропротезирования, а именно разработчиков сенсорных протезов. Такие протезы могут помочь восстановить утерянные сенсорные способности (например, если из-за повреждения зрительной коры утрачено зрение), задействуя другие зоны мозга. С другой стороны (если помечтать), эти работы открывают путь к возможности наделять здоровых людей дополнительными органами чувств.

По: http://news.sciencemag.org

Фото: https://en.wikipedia.org. Авторские права: http://creativecommons.org

Подготовила Мария Перепечаева

: 26.10.2015

Энергосбережение

— Почему свет этого инфракрасного лазера становится видимым после отражения?

спросил
1 год, 5 месяцев назад

Изменено
1 год, 5 месяцев назад

Просмотрено
3к раз

$\begingroup$

В нашей лаборатории используется лазер с длиной волны 780 нм, поэтому он работает в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне. Большинство людей не могут видеть эту длину волны света. Однако, когда луч отражается от объекта (см. изображение), свет становится видимым. Это изображение было снято камерой iPhone с плохим (или отсутствующим) ИК-фильтром, хотя свет виден невооруженным глазом.

Было задано несколько связанных вопросов. Ответ на один из них говорит о том, что при неподвижном объекте отраженный луч должен терять энергию. Так почему же отраженный луч испытывает здесь увеличение энергии?

• видимый свет
• энергосбережение
• отражение
• лазер
• инфракрасное излучение

$\endgroup$

6

$\begingroup$

Вы никогда не увидите луча света сбоку. Вы видите только свет (любой длины волны), идущий прямо в ваш глаз. Когда лазерные лучи иногда появляются в виде видимой линии в воздухе, происходит то, что пыль (и в некоторой степени молекулы тоже) в воздухе рассеивают свет, направляя часть его к вашим глазам. Когда луч попадает на твердый объект, то, если только поверхность не очень плоская (например, точное и чистое зеркало), будет рассеяние под всеми углами, поэтому часть лучей попадет в ваш глаз. Это тот свет, который вы видите.

В случае инфракрасного излучения чувствительность человеческого глаза не сразу падает при длинах волн более 700 нм; оно низкое, но не равное нулю, а рассеянное излучение лазерного луча часто достаточно яркое, чтобы его можно было увидеть (очевидно, это зависит от интенсивности исходного луча). Я таким образом видел 852 нм, например. Однако, когда вы можете видеть такую ​​длину волны, вы должны быть осторожны: излучение, попадающее в ваш глаз, ярче, чем вы думаете, потому что чувствительность вашего глаза низка, но вы его видите. По этой причине защита глаз особенно важна при длинах волн, выходящих за пределы нормального видимого диапазона.

$\endgroup$

6

$\begingroup$

Я уверен, что никакого преобразования фотонной энергии здесь не происходит.

Особенно вам нужно повышающее преобразование энергии, что очень маловероятно. Нормальная флуоресценция не может быть здесь причиной. Существуют детекторные карты для преобразования лазерного излучения с повышением частоты, но перед использованием их необходимо «зарядить» солнечным светом. И это совершенно особый материал.

Скорее всего, лазер относительно сильный и чувствительность глаза все еще достаточно высока.

Например: Когда я работал с лазером 762 нм (кислородный диапазон А), я и все мои коллеги могли четко видеть луч (хотя 762 нм уже классифицируются как ИК). Лазер имел мощность ~ 300 мкВт и коллимированный пучок был хорошо виден на листе белой бумаги при дневном свете. При распространении на площади 1 см луч был хорошо виден при свете.

Несмотря на то, что 780 нм определенно дальше в ИК-диапазоне, чем 760 нм, ваш лазер может быть более мощным, и глаз все еще может видеть луч.

Но луч, вероятно, будет намного мощнее, чем предполагает воспринимаемая яркость.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Вы видите свет, потому что его частота или длина волны, если уж на то пошло, видны вашему глазу, а не потому, что он каким-то волшебным образом увеличивает свою энергию.

То, что луч попадает на предметы, отражается или рассеивается и достигает вашего глаза, создает впечатление света. Это также доказывает, что используемая частота (все еще) видна человеческому глазу, хотя, вероятно, меньше, чем «обычный, видимый» спектр.

$\endgroup$

$\begingroup$

Остальные ответы совершенно верны, если предположить зеркальное (зеркальное) отражение, то есть упругое рассеяние (при этом энергетический уровень фотонов почти не меняется).

Но есть еще один случай, который я хотел бы, чтобы вы рассмотрели, это диффузное отражение и переизлучение поглощения.

Диффузное отражение — это отражение света или других волн или частиц от поверхности, при котором луч, падающий на поверхность, рассеивается под многими углами, а не только под одним углом, как в случае зеркального отражения.
Но приведенная выше схема продолжает действовать и в том случае, если материал впитывающий. В этом случае рассеянные лучи при блуждании в материале теряют часть длины волны и становятся окрашенными.

https://en.wikipedia.org/wiki/Diffuse_reflection

Теперь самое главное в вашем случае, это то, что поверхность на картинке не только вызывает зеркальное отражение, но и диффузное. Это означает, что:

1. отражает некоторые фотоны в случайных направлениях

2. он не только упруго рассеивает, но и поглощает часть фотонов, и переизлучает их на разных (в вашем случае видимых) длинах волн. Это ответ на ваш вопрос. Да, некоторые фотоны действительно могут получать энергию, и от падающей длины волны ИК-излучения они переизлучаются в виде длины волны видимого света, и именно эти фотоны вы видите невооруженным глазом.

В некоторых случаях при интенсивном освещении один электрон может поглощать два фотона, что позволяет испускать излучение с более высокой энергией фотона (с более короткой длиной волны), чем поглощенное излучение

https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence

Вопрос интересный, и единственный способ проверить это — сделать это с разными объектами. Если сам лазер невидим невооруженным глазом (действительно инфракрасный, а не в видимом диапазоне), но если посветить лазером на стену или другие объекты, точка может стать видимой из-за диффузного отражения и поглощения переизлучения , где некоторые фотоны переизлучаются в видимом диапазоне (можно даже флуоресценцию делать).

$\endgroup$

3

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Обязательно, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Обнаружение ИК-излучения с помощью смартфона

Сделать невидимое видимым

Обнаружение ИК-излучения с помощью смартфона

Солнце излучает больше света, чем та его часть, которую мы видим. Сразу за видимым фиолетовым светом находится ультрафиолетовый (УФ) свет, а сразу за видимым красным светом — инфракрасный (ИК) свет. Ни тот, ни другой не видны человеческому глазу. Инфракрасный свет не зависит от видимого света — инфракрасный свет можно обнаружить в темных или неясных условиях. Почти все излучает инфракрасный свет в виде тепла. Если бы у людей были глаза, приспособленные к инфракрасному излучению, они могли бы быть поражены всей светящейся материей вокруг них. Однако такие животные, как змеи, летучие мыши-вампиры и жуки, развили органы и рецепторы для обнаружения инфракрасных тепловых сигнатур.

Хотя мы не можем видеть инфракрасный свет, мы все же можем его использовать. Например, пульт дистанционного управления телевизором использует инфракрасный свет для переключения каналов. Вы можете использовать цифровую камеру, чтобы обнаружить его присутствие. Направьте пульт на камеру смартфона и нажмите кнопку; вы можете увидеть свет на экране вашей камеры. Камера телефона улавливает свет от пульта дистанционного управления и превращает этот сигнал в видимый свет на экране. Когда вы нажимаете кнопку, вы видите видимый свет на конце пульта без использования камеры? Это не означает, что у вас есть суперсила инфракрасного зрения. Этот индикатор означает, что батарейки в пульте работают правильно.

Безопасность

Убедитесь, что учащиеся понимают и соблюдают правила безопасности в лаборатории при выполнении любых действий в классе или лаборатории. Моделируйте надлежащие методы безопасности в лаборатории для своих студентов и требуйте от них соблюдения всех правил безопасности в лаборатории. Не смотрите на источник ИК-излучения в течение длительного времени.

Материалы

• Пульт дистанционного управления с новыми батареями
• Смартфон с передней и задней камерами

Процедура

Часть 1

Многие современные смартфоны имеют ИК-фильтры на задней камере и практически не имеют ИК-фильтра на передней камере. Важно протестировать эту демонстрацию с обеими камерами, прежде чем представлять ее классу. Только одна камера должна иметь фильтр. Эта информация важна для части 2. Если обе камеры имеют ИК-фильтр, вам нужно будет использовать более старое устройство.

1. Направьте пульт на устройство, которым он управляет. Используйте пульт с устройством, чтобы показать, что пульт работает.
2. Направьте пульт на класс. Нажмите кнопку питания несколько раз. Учащиеся не должны видеть видимый свет.
3. Откройте приложение камеры на смартфоне. Переключите камеру на фронтальную.
4. Направьте пульт на фронтальную камеру. Нажать на кнопку. На экране камеры должен появиться свет, доказывающий, что действительно есть сигнал, исходящий от пульта.
5. Вы можете закончить демонстрацию здесь или продолжить с несоответствующим событием в части 2.

Часть 2

1. Снова направьте пульт на устройство, которым он управляет, и покажите, что пульт работает.
2. Используя заднюю камеру, повторите шаги, описанные в части 1.
3. На экране не будет света.
4. Переключиться обратно на фронтальную камеру. Повторите шаги. Свет появится.
5. Предложите учащимся объяснить почему. Ответы будут различаться в зависимости от предварительных знаний ваших учащихся о свойствах световых волн, камер и интеллектуальных устройств.

Учащиеся могут ассоциировать приборы ночного видения с инфракрасным излучением. Если это так, обязательно укажите, что не все приборы ночного видения полагаются на инфракрасное излучение, чтобы «видеть в темноте». Некоторые устройства усиливают доступный окружающий свет, в то время как другие полагаются на тепловое излучение.

Объяснение

Вы установили, что камеры могут обнаруживать инфракрасный свет. Почему одна камера работает, а другая нет? Нет, тыловая камера не сломана. Он предназначен для предотвращения прохождения инфракрасного света через объектив; поэтому на экране не видно света.