通过超薄结构膜实现全光、近红外成像

(a). 基于硅膜元表面的THG成像示意图。(bi and ci) 白光源照射下的扇形星目标和元表面的图像。(bii和cii）在近红外光照下（1512nm），通过膜元表面对目标进行转化的可见光图像（504nm处）。资料来源：Compuscript Ltd

近红外（NIR）视觉探测器和摄像机在当今的成像、传感和显示技术的高科技工具中发挥着重要作用。基于护目镜或双目的近红外相机对于夜视以及医疗和农业成像尤为重要。在传统的近红外相机中，近红外光（700-2500纳米）通过一个光电阴极被吸收，导致电子放电，从而击中一个集成的平面屏幕，由眼睛或成像传感器查看。

虽然这种设备在上述应用中被证明是有效的，但它们是笨重的、沉重的、单色的，而且只限于某些波段。后者是一个主要的技术限制，因为光电阴极只在以下一个范围内发挥作用： 400-1000纳米，1000-2500纳米或>2500纳米。然而，Z. Zheng及其同事在本文中展示了一种能够覆盖所有这些频段的薄膜，而不需要将光转换成电子，反之亦然。

在这项工作中，研究人员采用了非线性元面的概念。元表面是纳米级谐振器的阵列，可以操纵光的特性，包括光的传播方向、强度和波长（/颜色）。能够转换光的波长的metasurfaces被称为非线性metasurfaces。在本文中，利用了一个由硅薄膜组成的非线性元表面。该薄膜容纳了精心设计和制造的纳米级孔，即膜的几何形状，与进入的光线产生强烈的共振。在用近红外光照亮所设计的元表面后，它通过非线性过程，即所谓的三次谐波生成（THG），在原波长的1/3处产生一种新的颜色。

通过控制纳米孔阵列的对称性，研究人员展示了一种调控光波长和强度的多功能工具，最终用于近红外成像。上面的图片说明了任意物体的近红外成像的概念。作为演示，电信波长（1512纳米）附近的近红外光通过一个扇形星体目标，并通过元表面被转换成可见光信号（504纳米）。1(bii和cii)中所示的图像是在CCD相机上形成的。

这样一种用于近红外成像的创新方法可以广泛地扩展到大频段和多色过程。值得注意的是，所利用的材料，即硅，目前正在CMOS工业中大量使用。因此，大规模生产硅元表面不需要大量投资。此外，硅不吸收波长>1000纳米的近红外光，所以加热不是一个问题。最后但同样重要的是，硅是一种中心对称的材料。因此非线性硅元表面可以用于THG以外的其他三阶非线性相互作用。

例如，通过使用一个称为四波混合的过程，人们可以涉及到近红外和可见光范围内的几个波长，从而能够产生丰富多彩的图像。换句话说，本文所展示的平台是下一代薄型、廉价、宽带和彩色近红外相机和探测器的构建块。

这项工作发表在《光电子学进展》杂志上。

参考资料：Ze Zheng et al, Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220174