诺丁汉特伦特大学研究团队利用硅超表面解锁宽带红外成像

盖世汽车讯 从探索生物标本到检查复杂材料和检测物理系统中的隐藏模式，红外成像技术对于促进人类对世界的理解至关重要。红外光可以穿透雾气和烟雾，因此在搜救、消防和敏感作业中具有宝贵的价值。此外，红外成像还能将物体发出的热量可视化，是夜视和安全应用的强大工具。

虽然红外摄像头是增强视觉、食品和工厂质量控制、安全等方面的宝贵工具，但目前的摄像头往往面临着重大缺陷，如体积庞大、耗电量大和需要冷却系统，从而限制了其功能。更重要的是，现有红外摄像头采用的半导体技术只能根据半导体探测器的吸收带捕捉到红外光谱中的一个狭窄波段。这意味着每种应用都需要一个单独的摄像头。

先进光学和光子学实验室（Advanced Optics and Photonics Lab）负责人、英国研究与创新机构（UK Research and Innovation）未来首席研究员Mohsen Ramhami教授表示：“由于当今的红外成像技术体积庞大、耗电量大和价格昂贵，因此我们不太可能在家里安装红外摄像头。然而，非线性频率转换是一个在不同频率范围内操纵和转换电磁信号的过程，具有彻底改变红外探测技术的巨大潜力。我们已经证明，被称为超表面的工程硅纳米粒子阵列可以通过混频过程将红外光转换为可见光。这种可集成到普通摄像头的超表面为先进红外成像提供了一种前景广阔的解决方案。”

硅产业以生产具有出色均匀性的紧凑型电子芯片和电路而闻名，并能与互补金属氧化物敏感（CMOS）封装技术兼容，已成为一个成熟的产业。硅光子学是其子产业之一，主要专注于光纤、波导和电信设备。

然而，硅纳米粒子和超表面的应用是相对较新的重点领域，尤其是在非线性领域，可促进自由空间环境和集成电路之间的无缝光耦合。

据外媒报道，在期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇论文中，由诺丁汉特伦特大学（Nottingham Trent University）领导的国际团队展示了硅超表面的另一项先进应用：一种实现宽带红外成像的经济、紧凑且通用的解决方案。

图片来源：Nottingham Trent University

论文主要作者、诺丁汉特伦特大学博士生Ze Zheng表示：“我们的演示得益于硅超表面的创新和精细排列，其特点是双层装置，上面是硅纳米粒子，下面是硅薄膜。通过利用光物质与两层的相互作用以及两层中产生的共振干扰，我们成功诱导了多个混合共振，从而大大增强了宽波长范围内的四波混频（FWM）。得益于非线性发射对泵浦光束的二次功率依赖性，这种增强可以检测到微弱的红外信号。”

作为概念验证，该研究团队已经证明，这种基于FWM的成像平台可以通过测量混合红外光穿过样品后的时间延迟来检测样品厚度。此外，该技术还具有偏振选择性，可提供额外的功能，例如检测对偏振敏感的材料，提高表面检测的分辨率和灵敏度。

该项目的共同负责人Lei Xu副教授表示：“我们用一台设备实现了1000-4700纳米波长的红外成像，为开发宽带、紧凑型红外成像设备提供了新的可能性。这开辟了一个新的研发方向，以解决红外摄像头目前的局限性，如成本高、复杂和带宽窄。这是使下一代红外摄像头更易于使用、更高效的第一步。”