利用非線性超表面進(jìn)行全光學(xué)近紅外成像
近紅外（NIR）視覺探測器和相機(jī)在當(dāng)今的成像、傳感和顯示技術(shù)的高科技工具中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?；谧o(hù)目鏡或雙筒望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)對于夜視以及醫(yī)療和農(nóng)業(yè)成像尤為重要。在傳統(tǒng)的近紅外相機(jī)中，近紅外光（700~2500 nm）通過光電陰極吸收，導(dǎo)致電子放電，從而撞擊由眼睛或成像傳感器觀察的集成平面屏幕。
雖然此類設(shè)備已被證明在上述應(yīng)用中有效，但它們體積龐大、笨重、單色且僅限于某些波段。后者是一個(gè)主要的技術(shù)限制，因?yàn)?a target="_blank">光電陰極僅在以下范圍之一中起作用：400~1000nm，1000~2500nm或>2500nm。然而，Z. Zheng及其同事在本文中展示了一種能夠覆蓋所有這些頻段的薄膜，而無需將光轉(zhuǎn)換為電子，反之亦然。
在這項(xiàng)工作中，研究人員采用了非線性超表面的概念。超表面是納米級諧振器陣列，可以操縱光的特性，包括光的傳播方向、強(qiáng)度和波長。能夠轉(zhuǎn)換光波長的超表面被稱為非線性超表面。本文利用了由硅薄膜組成的非線性超表面。該薄膜可容納精心設(shè)計(jì)和制造的納米級孔，即膜幾何形狀，與入射光強(qiáng)烈共振。用近紅外光照射設(shè)計(jì)的超表面后，它通過非線性過程在原始波長的1/3處產(chǎn)生新的顏色，即所謂的三次諧波產(chǎn)生（THG）。
通過控制納米孔陣列的對稱性，研究人員展示了一種用于調(diào)整光波長和強(qiáng)度的多功能工具，最終用于近紅外成像。上圖說明了任意物體的近紅外成像概念。作為演示，電信波長（1512nm）周圍的NIR光穿過扇形星目標(biāo)，并通過超表面轉(zhuǎn)換為可見光信號（504nm）。圖1中（bii和cii）顯示的圖像在CCD相機(jī)上形成。
這種創(chuàng)新的近紅外成像方法可廣泛擴(kuò)展到大頻段和多色工藝。值得注意的是，被開發(fā)的材料，即硅，在當(dāng)今的CMOS行業(yè)中被大量使用。因此，硅超表面的大規(guī)模生產(chǎn)不需要大量投資。此外，硅不吸收波長>1000 nm的近紅外光，因此加熱不是問題。最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，硅是一種中心對稱材料。因此，非線性硅超表面可用于THG以外的其他三階非線性相互作用。例如，通過使用稱為四波混合的過程，可以涉及NIR和可見光范圍內(nèi)的多個(gè)波長，從而能夠生成彩色圖像。換句話說，本文中演示的平臺(tái)是下一代薄型、廉價(jià)、寬帶和彩色NIR相機(jī)和探測器的構(gòu)建模塊。這項(xiàng)研究工作發(fā)表在《光電進(jìn)展》雜志上。相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2023-05-all-optical-near-infrared-imaging-ultra-thin.html
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