使紅外光可見(jiàn)：新設(shè)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(jiàn)光譜），其中頻率最低的是紅光。我們看不見(jiàn)的紅外線的頻率比紅光還要低。印度科學(xué)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(jiàn)光范圍。

光的上轉(zhuǎn)換具有多種應(yīng)用，特別是在國(guó)防和光通信領(lǐng)域。IISc 團(tuán)隊(duì)首次使用二維材料設(shè)計(jì)了一種他們稱之為非線性光學(xué)鏡面堆棧的裝置，以實(shí)現(xiàn)這種上轉(zhuǎn)換，并兼具寬場(chǎng)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(xué)鏡示意圖。顯示用于上轉(zhuǎn)換的和頻生成過(guò)程的能量圖。IISc 徽標(biāo)和輻條的代表性上轉(zhuǎn)換圖像，其中 1550 納米波長(zhǎng)的物體圖案被上轉(zhuǎn)換為 622 納米波長(zhǎng)。

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

紅外成像和傳感技術(shù)可用于從天文學(xué)到化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。例如，當(dāng)紅外光穿過(guò)氣體時(shí)，感應(yīng)光線的變化可以幫助科學(xué)家找出氣體的特定屬性。使用可見(jiàn)光并不總能實(shí)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(guó)防領(lǐng)域的用途，它們還受到出口限制。因此，亟需開(kāi)發(fā)本土化的高效設(shè)備。

IISc 團(tuán)隊(duì)采用的方法是將輸入紅外信號(hào)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(xué)特性會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)約為 1550 納米的紅外光向上轉(zhuǎn)換為 622 納米的可見(jiàn)光。輸出的光波可以用傳統(tǒng)的硅基相機(jī)檢測(cè)到。

圖片:turning-infrared-light-1.jpg

主要作者 Jyothsna KM 正在為上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)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(bào)告的通訊作者Varun Raghunathan解釋說(shuō)："這一過(guò)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(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到新的輸出頻率上。"

他補(bǔ)充說(shuō)，使用硒化鎵的優(yōu)勢(shì)在于它的高光學(xué)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(shí)現(xiàn)上變頻。與使用厘米級(jí)晶體的傳統(tǒng)設(shè)備相比，這種小尺寸設(shè)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(jìn)的上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)相媲美。

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

"在我們的實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)，"她說(shuō)。"我們看到，在波長(zhǎng)為 1400 納米到 1700 納米的各種紅外線波長(zhǎng)下，性能都沒(méi)有下降。

展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃將他們的工作擴(kuò)展到向上轉(zhuǎn)換更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。他們還試圖通過(guò)探索其他堆疊幾何結(jié)構(gòu)來(lái)提高設(shè)備的效率。

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

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