利用非線性超表面進行全光學近紅外成像
近紅外（NIR）視覺探測器和相機在當今的成像、傳感和顯示技術的高科技工具中發揮著至關重要的作用。基于護目鏡或雙筒望遠鏡的近紅外相機對于夜視以及醫療和農業成像尤為重要。在傳統的近紅外相機中，近紅外光（700~2500 nm）通過光電陰極吸收，導致電子放電，從而撞擊由眼睛或成像傳感器觀察的集成平面屏幕。
雖然此類設備已被證明在上述應用中有效，但它們體積龐大、笨重、單色且僅限于某些波段。后者是一個主要的技術限制，因為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，而無需將光轉換為電子，反之亦然。
在這項工作中，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、強度和波長。能夠轉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計和制造的納米級孔，即膜幾何形狀，與入射光強烈共振。用近紅外光照射設計的超表面后，它通過非線性過程在原始波長的1/3處產生新的顏色，即所謂的三次諧波產生（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整光波長和強度的多功能工具，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，并通過超表面轉換為可見光信號（504nm）。圖1中（bii和cii）顯示的圖像在CCD相機上形成。
這種創新的近紅外成像方法可廣泛擴展到大頻段和多色工藝。值得注意的是，被開發的材料，即硅，在當今的CMOS行業中被大量使用。因此，硅超表面的大規模生產不需要大量投資。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和可見光范圍內的多個波長，從而能夠生成彩色圖像。換句話說，本文中演示的平臺是下一代薄型、廉價、寬帶和彩色NIR相機和探測器的構建模塊。這項研究工作發表在《光電進展》雜志上。相關鏈接：https://phys.org/news/2023-05-all-optical-near-infrared-imaging-ultra-thin.html
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