西安光机所在超表面中红外上转换成像领域取得重要进展

近日，中科院西安光机所瞬态光学研究室刘红军研究员团队在超表面中红外非线性频率上转换成像领域取得重要进展，相关研究成果以“Enhanced Continuous-Wave Mid-Infrared Frequency-Upconversion Imaging Based on Quasi-Guided-Mode Metasurfaces”为标题，发表于Laser & Photonics Reviews。

中红外波段（3~5 μm）作为重要的大气透射窗口，在生物医学与环境监测等领域发挥着关键作用。非线性频率上转换技术可将难以直接高灵敏探测的中红外信号光转换到近红外或可见光波段，依托体积小、量子效率高的硅基探测器实现高性能探测，是当前中红外探测领域的核心技术路线之一。与传统非线性光学器件相比，非线性超表面可在亚波长尺度显著增强光与物质相互作用，从而突破严格的相位匹配条件限制。近年来，尽管高品质因子非局域超表面已被应用于增强非线性效应，却难以在低阈值、弱光条件下实现高效连续波频率上转换，同时兼顾灵活的光谱调控能力，这直接限制了高性能超表面中红外探测技术的实用化进程。

针对上述问题，研究团队以薄膜铌酸锂为非线性光学平台，提出了一种基于准导模（quasi-guided mode, QGM）调控的非线性频率上转换方法（图1）。该方法通过布里渊区折叠引入准导模共振，在宽波矢范围内构建稳定的高品质因子共振模式；进一步利用准导模与导模共振（guided-mode resonance, GMR）之间的强耦合效应，拓展了单一导模共振体系中的模式匹配范围，使不同共振模式均能够有效增强非线性效应。结合宽波矢范围内的共振调控能力，该方法显著扩大了频率转换的调谐范围，实现了转换效率与光谱调谐性的同步提升。

图1.超表面频率上转换示意图（a）超表面结构与QGM原理示意图；（b）超表面线性与非线性光谱特征

基于上述方法，研究团队搭建了薄膜铌酸锂中红外频率上转换成像系统。实验中成功实现了低光强连续波4.33 μm中红外信号的和频上转换成像（图2）。通过调节近红外泵浦波长，团队验证了泵浦侧共振调控能力及其对非线性转换过程的影响，结合色散分析进一步证明了宽带可调谐中红外频率转换成像的应用潜力。

图2.超表面频率上转换成像结果

张淙阜介绍：“非线性超表面厚度仅有头发丝直径的百分之一，芝麻粒大小的面积上集成了上万个纳米结构。我们利用准导模共振效应，先像收音机选台一样，让结构只接收特定波长的光，把弱光能量不断收集起来；再像信号增幅塔一样，把这些能量集中到极小的薄膜内，把光的作用放大。这样一来，原本需要大功率强激光才能实现的频率转换，现在用普通弱光就能完成。这为中红外弱光探测、无创生物成像等小型化设备应用解决了一大难题。”

该研究将非局域超表面的调控能力拓展至连续波非线性频率转换领域，不仅为小型化、低成本、高灵敏度的中红外探测技术提供了新的技术路径，更凭借该技术的片上集成潜力，在气体检测、环境监测、生物医学成像、集成光子传感等场景展现出广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71696