01/12/2023
Door Ad Spijkers
Een nieuw systeem maakt gebruik van een supergeleidende nanodraad single-foton detector om door een muur of om de hoek objecten waar te nemen.
Technologieën voor beeldvorming zonder zichtlijn kunnen objecten detecteren, zelfs als ze zich om een hoek of achter een muur bevinden. Onderzoekers van Tianjin University (150 km zuidoost van Beijing) hebben deze methode uitgebreid. In hun onderzoek gebruiken ze een nieuw type detector om deze methode uit te breiden van zichtbaar licht naar nabije en midden-infrarode golflengten. Dit zou nuttig kunnen zijn voor onbemande voertuigen, robot vision, endoscopie en andere toepassingen.
Geen zichtlijn
Infraroodbeelden zonder gezichtslijn kunnen de veiligheid en efficiëntie van onbemande voertuigen verbeteren. Ze helpen hen obstakels te detecteren die niet direct zichtbaar zijn en er omheen te navigeren. Het gebruik van nabij-infrarode golflengten zou ook kunnen helpen de zorgen over de oogveiligheid te verminderen en de achtergrondruis te verminderen. Hierdoor zou overdag beeldvorming over langere afstanden mogelijk zou kunnen zijn.
De onderzoekers hebben hun geenzichtlijn-beeldvorming aangetoond met behulp van een geavanceerde lichtgevoelige component die bekend staat als een supergeleidende nanodraad single-photon detector. Deze vertoont een gevoeligheid voor één foton van röntgenstraling tot de midden-IR golflengten. Hierdoor kunnen onderzoekers het spectrale bereik van de beeldtechniek uitbreiden tot de nabije en midden-infrarode golflengten van 1560 en 1997 nm. De onderzoekers ontwikkelden ook een nieuw algoritme om de door het systeem verkregen beelden verder te verbeteren.
De 'proof of principle' demonstratie opent deuren voor meer onderzoeksmogelijkheden en potentiële toepassingen. Het verplaatsen van beeldvorming zonder zichtlijn naar de midden-infrarode golflengten biedt voordelen voor veel toepassingen. Behalve het verbeteren van de navigatie voor robots en voertuigen zou het ook de signaal-ruisverhouding voor biologische beeldvorming kunnen verbeteren.
Gevoelig oog
Niet-zichtlijnbeeldvormingstechnologieën maken gebruik van fotodetectoren om meerdere stralen van gereflecteerd licht te detecteren die worden uitgezonden of gereflecteerd door objecten buiten de zichtlijn. In tegenstelling tot traditionele beeldvormingstechnieken met zichtlijn, zoals Lidat en fotografie, is het licht dat wordt gedetecteerd bij beeldvorming zonder zichtlijn erg zwak. Dit vereist detectoren met een zeer hoge gevoeligheid.
De Chinese onderzoekers hebben een supergeleidende nanodraad-detector voor één foton ontworpen en gemaakt. Deze fungeert als een gevoelig oog voor het zien van een object dat om een hoek verborgen is. De detector presteert beter dan andere detectoren met één foton wat betreft detectie-efficiëntie in het nabije en midden-infrarode spectrale bereik. Dit maakte het mogelijk om niet-zichtlijnbeelden uit te voeren op langere golflengten.
Supergeleidende nanodraad-detectoren voor één foton zijn gebaseerd op het feit dat een enkel foton de supergeleiding zal verstoren. Hierdoor ontstaat een meetbare verandering in de elektrische weerstand, waardoor individuele fotonen met een hoog rendement kunnen worden gedetecteerd. In het onderzoekers creëerden de wetenschappers een detector met één foton met nanodraden van 40 nm breed, gerangschikt in een fractaal patroon. Dit patroon, dat bij verschillende vergrotingen vergelijkbare vormen vertoont, maakt het mogelijk om fotonen in alle polarisaties effectief te detecteren. De detector werd gekoeld tot ~2 K (net boven het absolute nulpunt), wat nodig is om supergeleiding te bereiken.
Beeldvorming in infrarood
Eerst hebben de onderzoekers aangetoond dat hun supergeleidende nanodraad-detector voor één foton een betere timingresolutie en minder ruis vertoonde dan een InGaAs/InP lawinediode met één foton. Ze gebruikten de nieuwe detector om geenzichtlijn-beelden te verkrijgen bij zowel 1560 nm als 1997 nm . Ze konden voor beide golflengten een ruimtelijke resolutie van minder dan 2 cm bereiken. Ze toonden ook aan dat afbeeldingen die met behulp van hun nieuwe algoritme waren gereconstrueerd, een aanzienlijk lagere wortelgemiddelde-kwadratenfout hadden – een maatstaf voor de afwijking van het ideale beeld – dan afbeeldingen die met andere methoden waren gereconstrueerd.
De onderzoekers willen hun werkterrein uitbreiden door andere interessante golflengten te onderzoeken. Hoe willen ze weten hoe het rangschikken van meerdere supergeleidende nanodraad single-photon detectoren in arrays extra mogelijkheden zou kunnen bieden. Ze willen ook experimenteren met het gebruik van hun nieuwe systeem om overdag geenzichtlijn-beelden over langere afstanden te realiseren.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Ill.: Xiaolong Hu, Tianjin University