8月25日，記者從中國科學院西安光機所獲悉：該所瞬態光學研究室劉紅軍研究員團隊在超表面中紅外成像領域取得重要進展，用“頻率上轉換”的方法成功實現弱中紅外光探測成像。該成果有望讓原本難以探測的中紅外光被普通探測器“捕捉”到，為小型化、低成本的中紅外探測技術的發展奠定基礎。

中紅外光在環境監測、生物醫學、氣體檢測等領域發揮著關鍵作用，但人眼看不見，普通硅基探測器也無法探測到它。解決這一難題的一種常用方法叫“頻率上轉換”，即把中紅外光“翻譯”成近紅外或可見光波段。這樣，就能用小巧高效的普通探測器來看了。

然而，實現這一“翻譯”過程通常需要比較強的激光，且有嚴格的相位匹配條件。近年來出現的“超表面”器件可以在很薄的平面上增強光與物質相互作用，但要在弱光、連續波條件下高效工作並且靈活調控波長很難。

該團隊的突破解決了這一難點。他們利用了一種叫“薄膜鈮酸鋰”的材料制成超表面，提出了一種基於准導模調控的非線性頻率上轉換方法。

“我們設計的超表面厚度隻有頭發絲直徑的百分之一，它芝麻粒大小的面積上集成了上萬個納米結構。通過‘准導模共振’效應，超表面可以先像收音機選台一樣，隻對特定波長的光產生強烈響應，把微弱的信號光能量不斷收集起來﹔再像信號增幅塔一樣，把這些能量集中到極小的薄膜區域內放大。這樣一來，原本需要大功率強激光才能實現的‘頻率上轉換’，用普通弱光就能完成。”團隊成員張淙阜介紹。

實驗中，團隊搭建了基於上述方法的成像系統，成功對波長4.33微米的弱中紅外信號進行了成像，並且驗証了該系統具有可調控中紅外頻率轉換成像的能力。

該研究將超表面的調控能力拓展到了連續波非線性頻率轉換領域，未來有望用於氣體檢測、環境監測、生物醫學成像和集成光子傳感等領域。（記者 孫亞婷）