超薄纳米晶层的红外成像

研究人员展示了使用超薄透明半导体纳米晶体将红外图像转换为可见光的过程

新的概念验证技术超紧凑、超轻，有朝一日可能会在标准眼镜上实现红外成像。图片来源：许磊，诺丁汉特伦特大学

由于从食品质量控制和遥感到夜视设备和激光雷达的广泛应用，对检测人眼不可见的红外 (IR) 光的需求不断增长。商用红外摄像机需要将红外光转换为电子并将生成的图像投影到显示器上。这种显示器会阻挡可见光的传输，从而干扰正常视力。此外，由于红外光子的能量低，此类红外探测器需要低温甚至低温冷却，这使得红外探测器体积庞大且笨重。

传统相机的全光学替代方案是使用非线性光学过程将红外光转换为可见光。在这种情况下，红外检测过程不再涉及电信号，转换为可见光的图像可以被眼睛或手机型相机捕获。该技术中采用的光学过程是非线性和频生成 (SFG)。在 SFG 过程中，两个入射光子（其中一个在 IR 光谱中）在非线性材料内相互作用以产生更高频率和可见光频率的发射。然而，在通常的方法中，这种转换依赖于庞大且昂贵的非线性晶体。

克服这些限制的一个非常有吸引力的平台是使用称为超表面的超薄纳米晶体层。超表面是密集排列的纳米天线的平面阵列，旨在操纵入射光的各种特性，包括其频率。在各种例子中，电介质和半导体超表面已显示出在纳米尺度上增强非线性光学过程的巨大希望。由于光共振的激发和与自由空间的良好耦合，这种超表面可以表现出增强的频率转换。因此，非线性超表面的使用是一种很有前途的方法，可以将红外光子上转换为可见光，从而通过使用超薄和超轻设备的相干转换对红外物体进行成像。重要的，

考虑到这一想法，来自澳大利亚国立大学、诺丁汉特伦特大学和世界各地的合作者的研究人员设法通过由小半导体纳米晶体组成的非线性超表面来展示红外成像。正如Advanced Photonics报道的那样，研究人员设计了一个多谐振超表面来增强参与 SFG 过程的所有频率的场。设计的超表面被制造并转移到透明玻璃上，在玻璃表面形成一层纳米晶体。

和频生成 (SFG) 非线性光学过程

通过和频生成 (SFG) 非线性光学过程，两个入射光子（其中一个在红外光谱中）在超表面内相互作用以产生绿色可见光频率的发射。更重要的是，目标的红外图像与超表面内的第二束光束混合，通过 SFG 生成绿色可见光图像。目标不同横向位置的光学显微镜图像（左侧）及其相应的上转换图像（右侧）。图片来源：Camacho-Morales 等人，doi 10.1117/1.AP.3.3.036002

在实验中，西门子星目标的红外图像照亮了超表面。目标的红外图像与第二束光束混合，并通过 SFG 过程上转换为 550 nm 的可见波长（绿光）。使用传统相机捕获的可见绿色图像对应于目标的不同横向位置，包括目标完全从红外光束路径中移除并且观察到超表面的 SFG 发射的情况。尽管红外信号光束的不同部分被构成超表面的独立纳米晶体上转换，但图像仍能很好地再现到可见光中。

所提出的基于超表面的 IR 成像方法提供了传统上转换系统无法实现的新机会。例如，使用反向传播的激发光束，以及以不同角度入射，最重要的是，通过适当设计的超表面进行多色红外成像。因此，研究人员获得的结果有利于紧凑型夜视仪器和传感器设备的未来发展，提供超薄和超紧凑的平台以及室温下多色红外成像等新功能。

阅读 Rocio Camacho-Morales 等人的开放获取文章，“非线性超表面中的红外上转换成像”，Adv. 光子学 3 (3), 036002 (2021) doi 10.1117/1.AP.3.3.036002