硅超表面解锁广谱红外成像

       通过四波混频（FWM）工艺能够实现硅超表面的宽带非线性成像。具体而言：

       a、宽带非线性成像过程示意图为具有宽带波长覆盖的红外图像（称作信号光束）与额外的红外光（称为泵浦光束）相混合。当两束光通过经设计的超表面时，这种诱导排列有助于基于四波混频过程产生可见输出。

       b、左侧为 Si 双层超表面示意图，右侧是超表面的扫描电子显微镜图像。

       c、当泵浦波长固定在 1130nm 时，调整信号波长，可测量到 Si 超表面的 FWM 发射光谱，信号波长的调谐范围为 2300 至 4700nm。

       从探索生物标本到检测复杂材料，再到检测物理系统中的隐藏模式，红外成像技术对于提升我们对世界的理解起着至关重要的作用。红外光能够穿透雾和烟，这使得它在搜索和救援、消防以及敏感行动中具有不可估量的价值。此外，红外成像可以将物体发出的热量可视化，使其成为夜视和安全应用的强大工具。

       虽然红外摄像机在增强视觉、食品和植物质量控制、安全等方面是宝贵的工具，但如今的摄像机往往存在显著缺点。例如，它们体积庞大、耗电量大且需要冷却系统，这限制了其功能。更重要的是，目前相机中使用的基于半导体的技术只能捕获基于半导体探测器吸收带的红外光谱的窄波段，这意味着每个应用程序都需要单独的摄像头。英国研究与创新未来领袖研究员、高级光学和光子学实验室负责人 Mohsen Ramhami 教授表示：“由于当今红外成像技术体积庞大、耗电巨大且价格昂贵，我们不太可能在家里安装红外摄像机。然而，非线性频率转换，即一种在不同频率范围内操纵和转换电磁信号的过程，具有革新红外探测技术的巨大潜力。我们已经证明，被称为超表面的工程硅纳米颗粒阵列可以通过频率混合过程将红外光转换为可见光。这种可与普通相机集成的超表面为先进的红外成像提供了一个有前途的解决方案。”

       硅工业以生产紧凑的电子芯片和电路而闻名，具有优异的均匀性，并与互补金属氧化物敏感（CMOS）封装技术兼容，是一个成熟的行业。硅光子学是一个子产业，主要聚焦于光纤、波导和电信设备。然而，硅纳米颗粒和超表面的应用是相对较新的焦点领域，特别是在非线性领域，促进了自由空间环境和集成电路之间的无缝光耦合。

       在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇论文中，由诺丁汉特伦特大学领导的一个国际团队展示了硅超表面的一种更先进的应用：一种经济、紧凑、通用的解决方案，可实现宽带红外成像。主要作者、诺丁汉特伦特大学的博士候选人郑泽称：“我们的演示得益于一种创新的、细致的硅超表面安排，其特点是双层装置，上面是硅纳米颗粒，下面是硅薄膜。通过利用光与物质与两层的相互作用以及两层产生的共振的干扰，我们成功地诱导了多个混合共振，从而显著增强了宽波长范围内的四波混频（FWM）。由于非线性发射对泵浦光束的二次幂依赖，这种增强可以检测到微弱的红外信号。”

       作为概念验证，该团队已经证明，这种基于 fwm 的成像平台可以通过测量混合红外光穿过样品后的时间延迟来检测样品厚度。此外，该技术具有极化选择性，提供了额外的功能，例如检测对极化敏感的材料，提高表面检测的分辨率和灵敏度。

       该项目的联合负责人徐磊副教授表示：“我们的红外成像跨越 1000 - 4700 纳米，一个设备展示了开发宽带和紧凑型红外成像设备的新可能性。这开辟了一个新的研究和发展方向，以解决当前红外摄像机的局限性，如高成本、复杂性和窄带宽。这是使下一代红外摄像机更容易使用和更高效的第一步。”