【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)研究室劉紅軍研究員團(tuán)隊(duì)在超表面中紅外非線性頻率上轉(zhuǎn)換成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。論文第一作者為西安光機(jī)所博士研究生張淙阜，通訊作者為西安光機(jī)所劉紅軍。
 

　　中紅外波段(3–5 μm)作為重要的大氣透射窗口，在生物醫(yī)學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)可將難以直接高靈敏探測(cè)的中紅外信號(hào)光轉(zhuǎn)換到近紅外或可見(jiàn)光波段，依托體積小、量子效率高的硅基探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)，是當(dāng)前中紅外探測(cè)領(lǐng)域的核心技術(shù)路線之一。與傳統(tǒng)非線性光學(xué)器件相比，非線性超表面可在亞波長(zhǎng)尺度顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，從而突破嚴(yán)格的相位匹配條件限制。近年來(lái)，盡管高品質(zhì)因子非局域超表面已被應(yīng)用于增強(qiáng)非線性效應(yīng)，卻難以在低閾值、弱光條件下實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)波頻率上轉(zhuǎn)換，同時(shí)兼顧靈活的光譜調(diào)控能力，這直接限制了高性能超表面中紅外探測(cè)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)以薄膜鈮酸鋰為非線性光學(xué)平臺(tái)，提出了一種基于準(zhǔn)導(dǎo)模(quasi-guided mode, QGM)調(diào)控的非線性頻率上轉(zhuǎn)換方法。該方法通過(guò)布里淵區(qū)折疊引入準(zhǔn)導(dǎo)模共振，在寬波矢范圍內(nèi)構(gòu)建穩(wěn)定的高品質(zhì)因子共振模式；進(jìn)一步利用準(zhǔn)導(dǎo)模與導(dǎo)模共振(guided-mode resonance, GMR)之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，拓展了單一導(dǎo)模共振體系中的模式匹配范圍，使不同共振模式均能夠有效增強(qiáng)非線性效應(yīng)。結(jié)合寬波矢范圍內(nèi)的共振調(diào)控能力，該方法顯著擴(kuò)大了頻率轉(zhuǎn)換的調(diào)諧范圍，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率與光譜調(diào)諧性的同步提升。
 

　　基于上述方法，研究團(tuán)隊(duì)搭建了薄膜鈮酸鋰中紅外頻率上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了低光強(qiáng)連續(xù)波4.33 μm中紅外信號(hào)的和頻上轉(zhuǎn)換成像。通過(guò)調(diào)節(jié)近紅外泵浦波長(zhǎng)，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了泵浦側(cè)共振調(diào)控能力及其對(duì)非線性轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響，結(jié)合色散分析進(jìn)一步證明了寬帶可調(diào)諧中紅外頻率轉(zhuǎn)換成像的應(yīng)用潛力。
 

　　張淙阜介紹：“非線性超表面厚度僅有頭發(fā)絲直徑的百分之一，芝麻粒大小的面積上集成了上萬(wàn)個(gè)納米結(jié)構(gòu)。我們利用準(zhǔn)導(dǎo)模共振效應(yīng)，先像收音機(jī)選臺(tái)一樣，讓結(jié)構(gòu)只接收特定波長(zhǎng)的光，把弱光能量不斷收集起來(lái)；再像信號(hào)增幅塔一樣，把這些能量集中到極小的薄膜內(nèi)，把光的作用放大。這樣一來(lái)，原本需要大功率強(qiáng)激光才能實(shí)現(xiàn)的頻率轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在用普通弱光就能完成。這為中紅外弱光探測(cè)、無(wú)創(chuàng)生物成像等小型化設(shè)備應(yīng)用解決了一大難題。”
 

　　該研究將非局域超表面的調(diào)控能力拓展至連續(xù)波非線性頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，不僅為小型化、低成本、高靈敏度的中紅外探測(cè)技術(shù)提供了新的技術(shù)路徑，更憑借該技術(shù)的片上集成潛力，在氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)成像、集成光子傳感等場(chǎng)景展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
 

　　劉紅軍研究員團(tuán)隊(duì)近年來(lái)圍繞非線性超表面光場(chǎng)調(diào)控與增強(qiáng)機(jī)制開(kāi)展系統(tǒng)研究，相關(guān)成果發(fā)表于 Laser & Photonics Reviews、Nanoscale Horizons等期刊。
 

　　引用：中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所在超表面中紅外上轉(zhuǎn)換成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 【引用時(shí)間：2026年8月24日】