当前，近红外(NIR)视觉探测器和相机在成像、传感和显示等高科技技术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夜视、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)通过光电阴极被吸收，导致电子放电并撞击集成平面屏幕，然后通过眼睛或成像传感器获得信息。虽然这类设备的有效性已在上述应用中被证实，但是它们存在笨重、单色并且只适用于某些波段的缺陷。特别是光电阴极只能在以下波段之一工作：400-1000 nm、1000-2500 nm或者大于2500 nm，成为了限制该类设备应用的技术瓶颈。
针对这一问题，英国诺丁汉特伦特大学的Mohsen Rahmani教授等人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。在这项研究中，他们采用了非线性超表面的概念。超表面是纳米级谐振器阵列，可以调控光的特性，包括光的传播方向、强度和波长(或者颜色)。其中，能够转换光波长的超表面被定义为非线性超表面。Mohsen Rahmani教授等提出了一种由硅薄膜构成的非线性超表面，薄膜上有精心设计和制造的纳米级孔(即膜的几何形状)，能够与入射光发生强烈共振。当用近红外光照射该超表面后，会通过非线性过程(即三次谐波生成(THG))产生波长为原始波长1/3的新颜色。通过控制纳米孔阵列的对称性来调谐光的波长和强度，并最终实现近红外成像。图1(a)展示了对任意物体进行近红外成像的原理，例如，远程通信波长(1512 nm)附近的近红外光穿过“扇形星”目标后，通过超表面被转换成可见光信号(504 nm)。图1 中(b1)和(c2)是在CCD相机上形成的图像。
图 1 (a)是基于硅膜超表面的THG成像示意图。(b1)和(c1)是“扇形星”目标和超表面在白光光源照明下的图像。(b2)和(c2)是在近红外光源(波长1512 nm)照射下，通过超表面膜转换得到的目标可见光图像(波长504 nm)
这种用于近红外成像的新方法可以被广泛地应用到大频段和多色工艺。值得注意的是，所利用的材料硅，目前在CMOS工业中被大量使用，大规模地生产硅超表面不需要巨额投资。此外，硅不吸收波长大于1000 nm的近红外光，不存在加热问题。同时，硅也是一种中心对称材料，非线性硅超表面可以用于THG外的其他三阶非线性相互作用，例如：通过使用一种称为四波混频的工艺，可以覆盖近红外和可见光范围内的多个波长，从而生成彩色图像。因此，该工作报道的技术平台为下一代轻薄、廉价、宽带和彩色的近红外相机及探测器提供了基础。
该项研究成果以“Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface”为题发表在Opto-Electronic Advances（光电进展）2023年第8期。
研究团队简介
诺丁汉特伦特大学的先进光学与光子学(AOP)研究小组由Mohsen Rahmani教授、Lei Xu博士和Cuifeng Ying博士组建。该小组的研究计划集中在设计、制造和亚波长纳米结构的工业化上，这些纳米结构可以与入射光发生共振耦合，并根据需要控制光的性质。该小组的主要研究方向是：1)线性光子学，设计超表面以再现体光学的功能，有时还提供传统衍射光学无法实现的功能。2)非线性光子学，通过设计和制造用于近红外成像、夜视等的工程超表面实现光频(颜色)的全光通信。3)生物光子学，通过设计和开发超灵敏的纳米级传感器检测低浓度物质或生物标记物，可到单个蛋白质水平。
Lei Xu博士(左)和英国皇家学会资助的博士候选人Ze Zheng先生(右)
AOP小组合影。右起：Cuifeng Ying博士、Mohsen Rahmani教授、Arman Youseif先生、Lei Xu博士、Saaman Zargabashi先生、Gabriel Sanderson先生、Ze Zheng先生、Mahya Asadiapari女士
英国诺丁汉特伦特大学(NTU)正在打造一所“未来大学”，一所向所有人敞开怀抱、挑战传统、丰富我们周围世界的大学。NTU与世界上最顶尖的人才合作，突破界限，打破现状，改变生活。通过NTU的研究特长、研究重点和研究主题，NTU正在开展对个人、社区、企业和政策产生深远现实影响的突破性研究。从社交媒体成瘾到可持续农业，NTU激励最聪明的人才奋起直追，共同解决社会面临的一些最重大的全球性挑战。NTU的专业资格研究生人数在英国排名第三，在52个不同的研究和分析领域有320多名专家。在最新的“卓越研究框架”(Research Excellence Framework)结果(2014年)中，NTU有90%的研究被评为“世界领先”、“国际优秀”或“国际公认”。最近，NTU的文化遗产研究还荣获了2021年女王高等教育和继续教育周年奖，这是他们第二次获此殊荣。（来源：科学网）
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Zheng Z, Xu L, Huang LJ, Smirnova D, Kamali KZ et al.Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface. Opto-Electron Adv 6, 220174 (2023).
DOI: 10.29026/oea.2023.220174
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