【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】隨著科技的飛速發(fā)展，中紅外(Mid-Infrared, MIR)光譜技術(shù)因其獨(dú)特的分子指紋特性，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)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(zhuǎn)換技術(shù)將中紅外信號(hào)光轉(zhuǎn)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(cè)器實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)，為中紅外探測(cè)與成像提供了新的技術(shù)途徑。
 

　　眾多研究表明，超表面可以在亞波長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)中增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，突破傳統(tǒng)非線性光參量過程的相位匹配限制。然而，現(xiàn)有的超表面通常依賴于窄帶的高品質(zhì)因子共振來實(shí)現(xiàn)局域場(chǎng)增強(qiáng)，這為超寬帶非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非線性光子技術(shù)及應(yīng)用課題組在超表面非線性光子學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗(yàn)證了超寬帶非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)。
 

　　課題組提出利用間隙等離子體模式實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)重疊和寬帶增強(qiáng)的方法，通過設(shè)計(jì)由三角金字塔形狀的 Au-ZnO 多層結(jié)構(gòu)組成的雙曲超材料(hyperbolic metamaterials, HMMs)，首次在 3-5μm 中紅外波段理論驗(yàn)證了超寬帶非線性頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)。HMMs多層結(jié)構(gòu)中的間隙等離子體模式在近紅外泵浦光波長(zhǎng)下激發(fā)了高階窄帶共振，偶極子與雙曲色散產(chǎn)生的慢光效應(yīng)則在中紅外波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了超寬帶近場(chǎng)增強(qiáng)。三角形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性破缺將這些共振模式局域在結(jié)構(gòu)尖端，不僅增強(qiáng)了介質(zhì)材料中的局域場(chǎng)，而且在不同信號(hào)光與泵浦光波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)重疊，顯著增強(qiáng)了非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。得益于慢光效應(yīng)，操縱超表面基本單元的幾何形狀和材料可以調(diào)整上述模式，從而在特定波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換過程。研究成果為基于超表面的非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展提供新的思路，為新型中紅外光電探測(cè)系統(tǒng)的研究提供技術(shù)支撐，在中紅外探測(cè)、成像、傳感和通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
 

　　盡管雙曲超材料在中紅外頻率上轉(zhuǎn)換方面展現(xiàn)出巨大潛力，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如材料制備的復(fù)雜性、非線性轉(zhuǎn)換效率的提升、以及系統(tǒng)集成度的提高等。未來，隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)和光學(xué)工程等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，雙曲超材料在生物醫(yī)學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。
 

　　相關(guān)研究成果Ultrabroadband nonlinear enhancement of mid-infrared frequency upconversion in hyperbolic metamaterials于近日發(fā)表在期刊 Nanoscale Horizons。
 

　　素材來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)