中科院中紅外波段首次驗證超寬帶非線性頻率上轉換技術
【化工儀器網 項目成果】隨著科技的飛速發展，中紅外(Mid-Infrared, MIR)光譜技術因其獨特的分子指紋特性，在生物醫學、環境監測等多個領域展現出巨大的應用潛力。然而，傳統中紅外光譜儀往往受限于光譜覆蓋范圍窄、靈敏度低等問題。非線性頻率上轉換技術將中紅外信號光轉換到近紅外或者可見光波段，可利用體積小、量子效率高的硅基探測器實現高靈敏探測，為中紅外探測與成像提供了新的技術途徑。
眾多研究表明，超表面可以在亞波長的納米結構中增強光與物質的相互作用，突破傳統非線性光參量過程的相位匹配限制。然而，現有的超表面通常依賴于窄帶的高品質因子共振來實現局域場增強，這為超寬帶非線性頻率轉換技術的進一步發展帶來巨大挑戰。
近日，中國科學院西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室非線性光子技術及應用課題組在超表面非線性光子學領域取得進展，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗證了超寬帶非線性頻率上轉換技術。
課題組提出利用間隙等離子體模式實現模場重疊和寬帶增強的方法，通過設計由三角金字塔形狀的 Au-ZnO 多層結構組成的雙曲超材料(hyperbolic metamaterials, HMMs)，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗證了超寬帶非線性頻率上轉換技術。HMMs多層結構中的間隙等離子體模式在近紅外泵浦光波長下激發了高階窄帶共振，偶極子與雙曲色散產生的慢光效應則在中紅外波長下實現了超寬帶近場增強。三角形結構的對稱性破缺將這些共振模式局域在結構尖端，不僅增強了介質材料中的局域場，而且在不同信號光與泵浦光波長下實現模場重疊，顯著增強了非線性頻率轉換過程。得益于慢光效應，操縱超表面基本單元的幾何形狀和材料可以調整上述模式，從而在特定波長上實現頻率轉換過程。研究成果為基于超表面的非線性頻率轉換技術的發展提供新的思路，為新型中紅外光電探測系統的研究提供技術支撐，在中紅外探測、成像、傳感和通信等領域具有重要的應用價值。
盡管雙曲超材料在中紅外頻率上轉換方面展現出巨大潛力，但其實際應用仍面臨諸多挑戰，如材料制備的復雜性、非線性轉換效率的提升、以及系統集成度的提高等。未來，隨著材料科學、納米技術和光學工程等領域的不斷進步，雙曲超材料在生物醫學與環境監測中的應用將更加廣泛和深入。
相關研究成果Ultrabroadband nonlinear enhancement of mid-infrared frequency upconversion in hyperbolic metamaterials于近日發表在期刊 Nanoscale Horizons。
素材來源：中國科學報
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