據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，印度科學(xué)理工學(xué)院（IISc）的研究人員制造了一種可將短波紅外光的頻率“上轉(zhuǎn)換”到可見光頻率范圍的裝置。

光的上轉(zhuǎn)換具有多種應(yīng)用，尤其是在國(guó)防和光通信領(lǐng)域。首先，印度科學(xué)理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)使用二維材料設(shè)計(jì)了一種非線性光學(xué)鏡堆棧，以實(shí)現(xiàn)這種上轉(zhuǎn)換功能，并結(jié)合了寬場(chǎng)成像能力。該光學(xué)鏡堆棧由固定在金反射表面頂部的多層硒化鎵組成，中間夾有二氧化硅層。

傳統(tǒng)的紅外成像使用低能帶隙半導(dǎo)體或微測(cè)輻射熱計(jì)陣列，它們通常從被研究的目標(biāo)物體中獲得熱量或吸收特征。紅外成像在從天文學(xué)到化學(xué)等不同領(lǐng)域都很有用。然而，現(xiàn)有的紅外探測(cè)器通常體積龐大且效率不高，由于其在國(guó)防方面的實(shí)用性，也可能受到出口限制。因此，迫切需要開發(fā)本土和高效的紅外探測(cè)器。

印度科學(xué)理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)使用的方法是將輸入紅外光信號(hào)與泵浦光束一起饋送到光學(xué)鏡堆棧上。構(gòu)成堆棧的材料的非線性光學(xué)特性導(dǎo)致頻率混合，從而導(dǎo)致輸出光束的頻率增加（上轉(zhuǎn)換），但其余特性保持不變。

通過這種方法，研究人員能夠?qū)⒉ㄩL(zhǎng)約為1550 nm的紅外光上轉(zhuǎn)換為622 nm的可見光。從而，可以使用傳統(tǒng)的硅基CMOS圖像傳感器檢測(cè)輸出光波。該成果以“2D Material Based Nonlinear Optical Mirror for Widefield Up-Conversion Imaging from Near Infrared to Visible Wavelengths”為題發(fā)表于Laser & Photonics Reviews期刊。

印度科學(xué)理工學(xué)院電氣通信工程系副教授、論文通訊作者Varun Raghunathan說道：“這個(gè)過程是連貫的——輸入光束的屬性在輸出端得以保留。這意味著，如果在輸入紅外頻率中設(shè)置特定的圖案，它就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到新的輸出頻率中?！?/p>

Varun Raghunathan補(bǔ)充說，使用硒化鎵的優(yōu)勢(shì)在于其高光學(xué)非線性，這意味著紅外光的單個(gè)光子和泵浦光束的單個(gè)光子可以結(jié)合起來產(chǎn)生具有上轉(zhuǎn)換頻率的單個(gè)光子。

即使使用厚度僅為45 nm的薄層硒化鎵，該研究團(tuán)隊(duì)也能實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換。小尺寸使其比使用厘米級(jí)晶體的傳統(tǒng)器件更具成本效益。其性能也與目前最先進(jìn)的上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)相當(dāng)。

Varun Raghunathan的博士生、論文第一作者Jyothsna K. Manattayil解釋說，他們使用粒子群優(yōu)化算法來加速計(jì)算所需的正確層厚度。根據(jù)厚度的不同，可以穿過硒化鎵并進(jìn)行上轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)會(huì)有所不同。這意味著材料厚度需要根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。

“在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們使用了1550 nm的紅外光和1040 nm的泵浦光束。但這并不意味著它不適用于其它波長(zhǎng)。”Varun Raghunathan說，“我們發(fā)現(xiàn)，在從1400 nm到1700 nm的廣泛紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，性能并沒有下降?！?/span>

展望未來，研究人員計(jì)劃將他們的工作擴(kuò)展到上轉(zhuǎn)換更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。他們還試圖通過探索其它堆棧幾何形狀來提高器件的效率。“全世界對(duì)不使用紅外探測(cè)器進(jìn)行紅外成像非常感興趣。我們的研究工作可能會(huì)改變這些應(yīng)用?！盫arun Raghunathan說道。

審核編輯：彭菁