使紅外光可見：新設備利用2D材料轉(zhuǎn)換紅外光

人眼只能看到特定頻率的光（稱為可見光譜），其中頻率最低的是紅光。我們看不見的紅外線的頻率比紅光還要低。印度科學研究所（IISc）的研究人員現(xiàn)已制造出一種裝置，可將短紅外光的頻率提高或 "向上轉(zhuǎn)換 "到可見光范圍。

光的上轉(zhuǎn)換具有多種應用，特別是在國防和光通信領域。IISc 團隊首次使用二維材料設計了一種他們稱之為非線性光學鏡面堆棧的裝置，以實現(xiàn)這種上轉(zhuǎn)換，并兼具寬場成像能力。這組鏡面由多層硒化鎵組成，固定在金反射面的頂部，中間夾著二氧化硅層。

圖片:turning-infrared-light.jpg

從左到右： 用于上轉(zhuǎn)換成像的非線性光學鏡示意圖。顯示用于上轉(zhuǎn)換的和頻生成過程的能量圖。IISc 徽標和輻條的代表性上轉(zhuǎn)換圖像，其中 1550 納米波長的物體圖案被上轉(zhuǎn)換為 622 納米波長。

傳統(tǒng)的紅外成像技術使用奇特的低能帶隙半導體或微測輻射熱計陣列，它們通常能接收被研究物體的熱量或吸收信號。

紅外成像和傳感技術可用于從天文學到化學等多個領域。例如，當紅外光穿過氣體時，感應光線的變化可以幫助科學家找出氣體的特定屬性。使用可見光并不總能實現(xiàn)這種傳感。

然而，現(xiàn)有的紅外傳感器體積龐大，效率不高。此外，由于紅外傳感器在國防領域的用途，它們還受到出口限制。因此，亟需開發(fā)本土化的高效設備。

IISc 團隊采用的方法是將輸入紅外信號和泵浦光束一起送入鏡面堆棧。構(gòu)成鏡疊的材料的非線性光學特性會導致頻率混合，從而產(chǎn)生頻率增加（上轉(zhuǎn)換）的輸出光束，但其他特性保持不變。利用這種方法，他們能夠?qū)⒉ㄩL約為 1550 納米的紅外光向上轉(zhuǎn)換為 622 納米的可見光。輸出的光波可以用傳統(tǒng)的硅基相機檢測到。

圖片:turning-infrared-light-1.jpg

主要作者 Jyothsna KM 正在為上轉(zhuǎn)換實驗校準光束。

電子通信工程系（ECE）副教授、發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上的這篇研究報告的通訊作者Varun Raghunathan解釋說："這一過程是相干的--輸入光束的特性在輸出端得以保留。這意味著，如果在輸入紅外頻率上印上特定的圖案，它就會自動轉(zhuǎn)移到新的輸出頻率上。"

他補充說，使用硒化鎵的優(yōu)勢在于它的高光學非線性，這意味著紅外光的單光子和泵浦光束的單光子可以結(jié)合成具有上變頻頻率的單光子。

研究小組甚至能夠利用尺寸僅為 45 納米的硒化鎵薄層實現(xiàn)上變頻。與使用厘米級晶體的傳統(tǒng)設備相比，這種小尺寸設備更具成本效益。研究還發(fā)現(xiàn)，它的性能可與目前最先進的上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)相媲美。

第一作者、歐洲電子工程學院博士生 Jyothsna K Manattayil 解釋說，他們使用了粒子群優(yōu)化算法來加快計算所需的正確層厚。根據(jù)厚度的不同，能夠通過硒化鎵并向上轉(zhuǎn)換的波長也會不同。這意味著需要根據(jù)應用情況調(diào)整材料厚度。

"在我們的實驗中，我們使用了 1550 納米的紅外光和 1040 納米的泵浦光束。但這并不意味著它不能用于其他波長，"她說。"我們看到，在波長為 1400 納米到 1700 納米的各種紅外線波長下，性能都沒有下降。

展望未來，研究人員計劃將他們的工作擴展到向上轉(zhuǎn)換更長波長的光。他們還試圖通過探索其他堆疊幾何結(jié)構(gòu)來提高設備的效率。

Raghunathan 說："全世界都對在不使用紅外傳感器的情況下進行紅外成像很感興趣，我們的工作可能會改變這些應用的游戲規(guī)則"。

相關鏈接：https://phys.org/news/2024-06-infrared-visible-device-2d-material.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/lpor.202400374