Недавно исследовательская группа профессора Лю Хунцзюня из Лаборатории переходной оптики Сианьского института оптики и точной механики Китайской академии наук достигла важного прогресса в области метаповерхностной нелинейной частотной апконверсионной визуализации в среднем инфракрасном диапазоне. Соответствующие результаты исследования опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews. Первым автором статьи является аспирант Сианьского института оптики и точной механики Чжан Цунфу, ответственным корреспондентом — Лю Хунцзюнь из Сианьского института оптики и точной механики.
Средний инфракрасный диапазон (3–5 мкм), являясь важным атмосферным окном пропускания, играет ключевую роль в таких областях, как биомедицина и мониторинг окружающей среды. Технология нелинейной частотной апконверсии позволяет преобразовывать сигналы среднего инфракрасного диапазона, которые трудно напрямую детектировать с высокой чувствительностью, в ближний инфракрасный или видимый диапазон, обеспечивая высокопроизводительное детектирование с помощью компактных кремниевых детекторов с высокой квантовой эффективностью. Это один из ключевых технологических подходов в области детектирования среднего инфракрасного излучения. По сравнению с традиционными нелинейными оптическими устройствами, нелинейные метаповерхности способны значительно усиливать взаимодействие света с веществом на субволновом масштабе, преодолевая тем самым ограничения строгих условий фазового синхронизма. В последние годы, хотя нелокальные метаповерхности с высоким добротным фактором применялись для усиления нелинейных эффектов, им сложно достичь эффективной непрерывной волновой частотной апконверсии в условиях низкого порога и слабого света, одновременно обеспечивая гибкую возможность спектральной настройки, что напрямую ограничивает практическое применение высокопроизводительных метаповерхностных технологий детектирования среднего инфракрасного диапазона.
Для решения вышеуказанных проблем исследовательская группа, используя тонкопленочный ниобат лития в качестве нелинейной оптической платформы, предложила метод нелинейной частотной апконверсии на основе управления квазинаправленными модами (quasi-guided mode, QGM) (рис. 1). Этот метод вводит резонанс квазинаправленных мод посредством складывания зоны Бриллюэна, создавая стабильные резонансные моды с высоким добротным фактором в широком диапазоне волновых векторов; далее, используя эффект сильной связи между квазинаправленными модами и резонансом направленных мод (guided-mode resonance, GMR), расширяет диапазон согласования мод в системе с одиночным резонансом направленных мод, позволяя различным резонансным модам эффективно усиливать нелинейные эффекты. В сочетании с возможностью управления резонансом в широком диапазоне волновых векторов данный метод значительно расширяет диапазон настройки частотного преобразования, обеспечивая одновременное повышение эффективности преобразования и спектральной настраиваемости.
Рис. 1 Схема метаповерхностной частотной апконверсии (a) Схема структуры метаповерхности и принципа QGM; (b) Линейные и нелинейные спектральные характеристики метаповерхности
На основе вышеуказанного метода исследовательская группа создала систему визуализации с частотной апконверсией среднего инфракрасного диапазона на тонкопленочном ниобате лития. В эксперименте успешно реализована визуализация с суммированием частот слабого непрерывного волнового сигнала среднего инфракрасного диапазона на длине волны 4,33 мкм (рис. 2). Регулируя длину волны накачки в ближнем инфракрасном диапазоне, группа подтвердила возможность управления резонансом на стороне накачки и его влияние на процесс нелинейного преобразования, а с помощью дисперсионного анализа дополнительно продемонстрировала потенциал применения широкополосной перестраиваемой визуализации с частотным преобразованием в среднем инфракрасном диапазоне.
Рис. 2 Результаты метаповерхностной визуализации с частотной апконверсией
Чжан Цунфу поясняет: «Толщина нелинейной метаповерхности составляет всего одну сотую диаметра человеческого волоса, а на площади размером с кунжутное зерно интегрированы десятки тысяч наноструктур. Используя эффект резонанса квазинаправленных мод, мы сначала, подобно настройке радиоприемника, заставляем структуру принимать свет только определенной длины волны, непрерывно накапливая энергию слабого света; затем, подобно усилительной башне сигнала, концентрируем эту энергию в предельно тонкой пленке, усиливая воздействие света. Благодаря этому частотное преобразование, которое ранее требовало мощных лазеров, теперь может быть выполнено с помощью обычного слабого света. Это решает серьезную проблему для применения компактных устройств, таких как детектирование слабого света в среднем инфракрасном диапазоне и неинвазивная биологическая визуализация».
Данное исследование расширяет возможности управления нелокальными метаповерхностями на область непрерывной волновой нелинейной частотной апконверсии, предоставляя не только новый технический путь для компактных, недорогих и высокочувствительных технологий детектирования среднего инфракрасного диапазона, но и, благодаря потенциалу ончип-интеграции данной технологии, демонстрирует широкие перспективы применения в таких сценариях, как обнаружение газов, мониторинг окружающей среды, биомедицинская визуализация и интегрированная фотонная сенсорика.
Исследовательская группа профессора Лю Хунцзюня в последние годы проводит систематические исследования механизмов управления и усиления оптического поля на нелинейных метаповерхностях; соответствующие результаты опубликованы в таких журналах, как Laser & Photonics Reviews и Nanoscale Horizons.