圖1. Quasi-BICs超表面實(shí)現(xiàn)的紅外上轉(zhuǎn)換成像。

日前，南昌大學(xué)信息工程學(xué)院成像與視覺(jué)表示研究團(tuán)隊(duì)提出基于準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)(Quasi-Bound States in the Continuum, Quasi-BICs)的硅基非線性超表面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效的紅外上轉(zhuǎn)換成像。相關(guān)成果以“High-efficiency infrared upconversion imaging with nonlinear silicon metasurfaces empowered by quasi-bound states in the continuum”為題，在線發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊Opto-Electronic Advances。

紅外成像技術(shù)利用目標(biāo)物體的熱輻射或特定大氣窗口的穿透特性，在夜視、工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)及遙感等領(lǐng)域具有重要作用。然而，傳統(tǒng)紅外探測(cè)器受窄帶隙半導(dǎo)體材料限制，面臨兩大瓶頸：一是為抑制嚴(yán)重?zé)嵩肼暢Ｐ枭畹蜏刂评?，顯著增加體積、功耗與成本;二是其靈敏度與響應(yīng)速度通常不及成熟的硅基可見(jiàn)光探測(cè)器。針對(duì)這一問(wèn)題，非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種有效的解決途徑。其核心物理過(guò)程是通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)，將入射的紅外光子轉(zhuǎn)換至可見(jiàn)光波段。這樣，紅外目標(biāo)信息便可直接被高靈敏度、低成本且可在室溫下工作的硅基CMOS或CCD相機(jī)捕捉。早期研究主要依賴體材料非線性晶體，但其相位匹配條件嚴(yán)格，限制了工作帶寬與接收角，且系統(tǒng)體積大、難以集成。近年來(lái)，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，基于超表面(Metasurfaces)的非線性光學(xué)調(diào)控成為了領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)。超表面由亞波長(zhǎng)尺度的納米單元陣列組成，能夠在極薄的物理厚度內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)比度極高的電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)，并打破傳統(tǒng)體材料中的相位匹配限制。然而，超表面在非線性頻率轉(zhuǎn)換效率方面一直難以滿足實(shí)用化需求。如何在微納尺度下進(jìn)一步增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，利用高品質(zhì)因子(Q因子)共振提升非線性轉(zhuǎn)換效率，是目前紅外成像技術(shù)向微型化、高性能邁進(jìn)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了由硅納米圓盤與橢圓盤構(gòu)成的二聚體單元。不同于傳統(tǒng)的同時(shí)在多個(gè)方向引入擾動(dòng)的設(shè)計(jì)，該工作通過(guò)精確控制橢圓盤在單方向(x軸)上的面內(nèi)對(duì)稱性破缺程度，將原本不與連續(xù)域輻射模耦合的BICs轉(zhuǎn)化為具有有限壽命的Quasi-BICs共振。這種單向擾動(dòng)策略能夠更有效地抑制輻射損耗，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該超表面在近紅外波段表現(xiàn)出高Q因子的共振特性，其實(shí)驗(yàn)Q因子最高可達(dá)4000。為驗(yàn)證該技術(shù)在紅外成像領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)搭建了非線性上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)，對(duì)多種目標(biāo)圖案進(jìn)行了演示。實(shí)驗(yàn)采用西門子星(Siemens star)分辨率靶標(biāo)作為測(cè)試對(duì)象，結(jié)果顯示，上轉(zhuǎn)換后的可見(jiàn)光圖像能夠清晰地分辨靶標(biāo)中心的細(xì)微條紋，其空間分辨率約為6 μm。此外，該平臺(tái)對(duì)復(fù)雜字符圖案(如“NCU”)也展現(xiàn)了良好的上轉(zhuǎn)換保真度，圖像輪廓清晰且具有較高的信噪比。

圖2. Quasi-BICs超表面的制造和線性光學(xué)響應(yīng)測(cè)量

該研究展示的非線性超表面具有完全的CMOS工藝兼容性，且基于成熟的半導(dǎo)體加工平臺(tái)，具備大規(guī)模量產(chǎn)與集成的潛力。相比于傳統(tǒng)的基于和頻過(guò)程的成像方案，該方法僅需單束泵浦光即可實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換，顯著降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。這一成果不僅為研究強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境下光與物質(zhì)相互作用提供了新的物理平臺(tái)，也為未來(lái)開(kāi)發(fā)微型化、高性能、工作于室溫環(huán)境下的紅外傳感器及全光信息處理器件提供了重要的技術(shù)支撐。

南昌大學(xué)信息工程學(xué)院為論文第一完成單位，劉婷婷特聘研究員為第一作者，劉且根教授、肖書(shū)源副研究員為共同通訊作者。研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、江西省自然科學(xué)基金及江西省青年科技人才托舉項(xiàng)目資助。

審核編輯 黃宇