從紅外線被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)開始，紅外探測技術(shù)已經(jīng)逐漸在各個(gè)領(lǐng)域大放光彩。無論是我們隨處可見的感應(yīng)燈、感應(yīng)水龍頭，或是軍事上紅外偵察、制導(dǎo)技術(shù)。
在使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭或手機(jī)攝像頭時(shí)，我們會體驗(yàn)到過去幾十年來針對可見光波段開發(fā)的廉價(jià)、緊湊型傳感器的強(qiáng)大功能。相反，探測肉眼不可見的低頻輻射（如中、遠(yuǎn)紅外輻射)則需要復(fù)雜且昂貴的設(shè)備。
由于缺乏緊湊型技術(shù)，用于分子識別，以及對人體自然發(fā)出的熱輻射進(jìn)行成像的傳感器還未得到廣泛使用。因此，這一領(lǐng)域的新概念突破可能會對我們的日常生活產(chǎn)生巨大影響。

圖1紅外探測技術(shù)的應(yīng)用圖源：EPFL 目前，探測中遠(yuǎn)紅外輻射最流行的技術(shù)是微測輻射熱計(jì)，它是由一排小型溫度計(jì)陣列組成，通過測量吸收輻射所產(chǎn)生的熱量。這種探測器有許多局限性，特別是響應(yīng)速度慢，且無法探測到微弱的輻射信號。 目前，對于中紅外（MIR）、遠(yuǎn)紅外（FIR）探測仍有許多局限性，尤其是在室溫下直接探測波長大于2μm的單光子仍是一項(xiàng)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Tobias Kippenberg（拓展鏈接）教授團(tuán)隊(duì)提出一種新型中遠(yuǎn)紅外探測技術(shù)。這種方法具有高靈敏度的同時(shí)，甚至能夠探測到單光子信號。

這種新型紅外探測方法，不同于現(xiàn)有的探測方法和途徑：首先將不可見的紅外低頻輻射轉(zhuǎn)換成可見光，再利用現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行探測。在環(huán)境條件下對波長超過2μm的電磁波實(shí)現(xiàn)單光子直接檢測。這種新方法無需復(fù)雜的低溫設(shè)備，具有更高靈敏度，低噪聲的特點(diǎn)。

該研究成果以“Molecular platform for frequency upconversion at the single-photon level”為題發(fā)表在Physical Review X。

圖2 圖源：Veer 這種新型紅外探測方法，避開了紅外探測諸多現(xiàn)存問題。具體方法是：其通過將低頻的中、遠(yuǎn)紅外輻射轉(zhuǎn)換到可見-近紅外（VIS-NIR），然后再進(jìn)行探測。因?yàn)榭梢?近紅外波段高靈敏度的探測器比較容易獲得，所以間接的實(shí)現(xiàn)對中、遠(yuǎn)紅外波段的探測。 雖然當(dāng)前利用非線性晶體可以實(shí)現(xiàn)從中紅外M到可見光近紅外VIS-NIR波長轉(zhuǎn)換，但是這需要在幾瓦的泵浦功率下工作，并且需要晶體且滿足相位匹配條件。相反，EPFL團(tuán)隊(duì)的方案僅依賴于兩個(gè)入射場的空間重疊。 同時(shí)為了確保兩個(gè)光束和分子系統(tǒng)之間的最佳重疊，作者提出了雙共振納米天線，其中要檢測的入射場和探測激光場都與以交叉配置排列的天線組件共振。該平臺還增加了每個(gè)場與目標(biāo)振動模式的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了圖3（b）所示的轉(zhuǎn)換過程。

圖3 (a)變頻器件示意圖 (b)光機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)制的頻率圖圖源：PHYSICAL REVIEW X 10，031057 (2020).(FIG.1) 在該研究中使用腔體光學(xué)模型描述了分子振動與等離子天線之間的相互作用。它們的有效相互作用使得在不同光譜區(qū)域可以觀察到有效的光機(jī)轉(zhuǎn)換過程。對于足夠低的光泵浦功率，在6THz（T=290 K）時(shí)增加的一個(gè)量子。這種低噪聲系數(shù)有望開發(fā)出一種新技術(shù)平臺，快速有效對太赫茲檢測。

圖4 IR模式（左）和NIR模式（右），雙天線內(nèi)部狀態(tài)分布圖 圖源：PHYSICAL REVIEW X 10，031057 (2020).(FIG.2) 以上研究表明，這中方案相比傳統(tǒng)方法最大的優(yōu)勢是探測的靈敏度，在頻率轉(zhuǎn)換過程中，分子振動所產(chǎn)生的低水平噪聲，可以實(shí)現(xiàn)在室溫下檢測極其微弱的信號。同時(shí)借助先進(jìn)的設(shè)備，有望實(shí)現(xiàn)量子受限的轉(zhuǎn)換，并有可以解決紅外單光子探測的問題。 在這項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，將推動表面科學(xué)、納米技術(shù)和量子光學(xué)之間的交叉學(xué)科的研究進(jìn)展，促進(jìn)紅外傳感和成像領(lǐng)域新型設(shè)備的發(fā)展。

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