利用非线性超表面进行全光学近红外成像

 近红外 （NIR） 视觉探测器和相机在当今的成像、传感和显示技术的高科技工具中发挥着至关重要的作用。基于护目镜或双筒望远镜的近红外相机对于夜视以及医疗和农业成像尤为重要。在传统的近红外相机中，近红外光（700~2500 nm）通过光电阴极吸收，导致电子放电，从而撞击由眼睛或成像传感器观察的集成平面屏幕。

虽然此类设备已被证明在上述应用中有效，但它们体积庞大、笨重、单色且仅限于某些波段。后者是一个主要的技术限制，因为光电阴极仅在以下范围之一中起作用：400~1000nm，1000~2500nm或>2500nm。然而，Z. Zheng及其同事在本文中展示了一种能够覆盖所有这些频段的薄膜，而无需将光转换为电子，反之亦然。

在这项工作中，研究人员采用了非线性超表面的概念。超表面是纳米级谐振器阵列，可以操纵光的特性，包括光的传播方向、强度和波长。能够转换光波长的超表面被称为非线性超表面。本文利用了由硅薄膜组成的非线性超表面。该薄膜可容纳精心设计和制造的纳米级孔，即膜几何形状，与入射光强烈共振。用近红外光照射设计的超表面后，它通过非线性过程在原始波长的1/3处产生新的颜色，即所谓的三次谐波产生（THG）。  

图1. 基于Si膜超表面的THG成像示意图

通过控制纳米孔阵列的对称性，研究人员展示了一种用于调整光波长和强度的多功能工具，最终用于近红外成像。上图说明了任意物体的近红外成像概念。作为演示，电信波长（1512nm）周围的NIR光穿过扇形星目标，并通过超表面转换为可见光信号（504nm）。图1中（bii和cii）显示的图像在CCD相机上形成。

这种创新的近红外成像方法可广泛扩展到大频段和多色工艺。值得注意的是，被开发的材料，即硅，在当今的CMOS行业中被大量使用。因此，硅超表面的大规模生产不需要大量投资。此外，硅不吸收波长>1000 nm的近红外光，因此加热不是问题。最后但并非最不重要的一点是，硅是一种中心对称材料。因此，非线性硅超表面可用于THG以外的其他三阶非线性相互作用。例如，通过使用称为四波混合的过程，可以涉及NIR和可见光范围内的多个波长，从而能够生成彩色图像。换句话说，本文中演示的平台是下一代薄型、廉价、宽带和彩色NIR相机和探测器的构建模块。这项研究工作发表在《光电进展》杂志上。相关链接：https://phys.org/news/2023-05-all-optical-near-infrared-imaging-ultra-thin.html