近日，一支来自英国诺丁汉特伦特大学的科研团队，在红外成像上先后取得两项成果。
第一项成果是：他们利用四波混频设计出一种新型半刻蚀硅超表面，成功实现宽谱弱信号光下的红外成像，并能显著降低对于信号光的光强的要求。
第二项成果是：他们实现了从近红外 1 微米到 5 微米的实验成像，理论上能将其推广至 50 微米的远红外成像。
（来源：Light: Science & Applications）在应用前景上：
首先，可用于医学诊断。
凭借高灵敏度和高分辨率的优势，本次技术能将红外光高效地转为可见光，因此非常适合用于无创医学成像，以用于组织结构属性的分析。
（来源：Light: Science & Applications）目前，红外成像已被用于检测组织的温度变化，而在本次技术的帮助之下，将能更精确地开展血流监测、癌症早期检测和疾病热图绘制等。
其次，可用于食品质量控制。
在食品质量和安全监测中，红外成像发挥着关键作用。比如，它能用来检测污染物、食品变质和化学成分等。
有了本次技术的加持，上述检测的灵敏度和准确性将能得到提高，从而可以更好地测出有害物质或低质量产品。
再次，可用于环境监测。
研究人员表示：“本次技术可能会彻底革新环境传感的应用，特别是在监测污染物、温室气体等方面。”
原因在于，本次技术兼具较高的灵敏度、以及较宽的波长覆盖范围，这让其非常适合用于检测大气中的化学特征，也非常适合用于追踪不同环境中的温度变化。
最后，可用于电信与集成光子学。
本次技术不仅具备一定的紧凑性，而且具备和芯片进行集成的潜力，故能用于集成光子系统之中，进而能被用于电信领域。
同时，非线性超表面还可以集成到光学电路之中，以用于增强信号处理、红外传感和波长转换，推动实现更快、更高效的光通信系统。
（来源：Light: Science & Applications）
解决现有红外成像技术的不足
那么，该课题组基于怎样的背景开展了上述两项研究？
当前，红外成像技术依然面临着一定的局限性。这让其在 2 微米到 15 微米范围内的应用遭到限制，以至于让医学诊断、食品质控和环境监测等领域仍旧无法享受红外成像技术的红利。
热探测器和半导体探测器，是目前常用的红外检测方法。它们往往存在灵敏度低、处理复杂、响应时间慢等问题。
因此，该团队希望能让非线性超表面成为一种切实可行的替代方案，从而能够克服上述局限。
同时，他们也希望结合非线性过程本身的一些特性，来为非线性超表面加入更多成像功能。
比如，能够让其去除背底噪声、让信号更加灵敏、让非线性信号关联介质晶格信息等。
对于非线性超表面来说，它能将红外光高效低转为可见光，从而能够提供一种有望集成在芯片上的紧凑型解决方案。
为此，本次研究充分利用了硅光子学的最新已有成果，即通过利用硅的强大非线性特性，来实现更加功能化的红外检测和成像技术。
凭借这种基于超表面的紧凑设计，再结合强大的非线性响应，就能在更广泛的光谱区域内发挥作用。
总的来说，课题组希望解决现有红外成像技术在速度，灵敏度以及材料限制等方面的不足，以便为更加广泛的应用场景提供更好的红外成像解决方案。
实现对于不同波段红外光的成像
在第一项成果中，他们利用一种特殊的硅谐振器来实现红外成像。
对于这种硅谐振器来说，它能支持一种名为“准 BIC（bound states in the continuum）态”的特殊光场共振模式分布。
硅谐振器就像一个能量陷阱，可以将光能高度集中在一个小区域之内。
当红外光照射到这个区域时，只需在一个泵浦光的作用下，硅材料的非线性效应就能通过混频过程，将红外光转换成可见光。
那么，为什么非线性行为这么重要？
首先，它让人们可以使用普通的电荷耦合器件硅基相机（CCD，charge coupled device）来“看到”红外光，从而大幅降低系统的成本和复杂度。
其次，准 BIC 态的存在能带来极高的非线性转换效率。即只需要很低的红外光功率，就能获得足够强的可见光信号。
最后，硅材料具备易加工、成本低等优势，能为本次技术的大规模应用提供可能。
实验中，该团队使用了一种可调谐激光器，它能覆盖广泛的波长范围。
这样做的好处在于：即使由于加工偏差导致谐振器的几何形状存在轻微偏差，仍然能够通过调整输入激光的波长，使其与准束缚态模式的共振条件相匹配。
从而能在设计共振附近，找到最佳泵浦激光的波长位置，进而确保实现相对较高的可激发的硅谐振器共振的 Q 因子。
通过将激光器调节到合适的波长，能够补偿谐振器结构中的微小差异，从而确保能够支持稳定准束缚态模式，以及支持高效非线性过程所需要的高 Q 条件。
在这种可调性的帮助之下，即使所加工的样品存在缺陷，仍能持续获得增强的非线性发射，从而提高打造红外成像系统的成功率和可靠性。
高 Q 因子，意味着谐振腔的品质因数 Q 值较高。Q 值越高，光场衰减的时间就越长。
对于高 Q 因子来说，它能显著增强谐振腔内光场的强度，从而能够延长光子束缚在谐振腔内的时间，进而大幅提高非线性过程的效率。
准束缚态，则是一种特殊的谐振模式，它能将光场高度局限在谐振腔的特定区域，故能进一步地增强光场强度。
基于高 Q 因子与准束缚态的协同作用，能让谐振腔内的电场强度增强数个数量级，借此可以极大促进四波混频等非线性过程的发生，进而实现从红外光到可见光的高效转换。
准束缚态还拥有灵活的可调性。通过改变谐振器的几何参数、材料组成，或通过引入缺陷等方式，可以精确地调控准束缚态的共振频率和场分布。
凭借这种灵活性让人们可以根据不同的需求，来实现谐振腔的定制化设计，借此实现高分辨率成像以及偏振敏感成像等多种功能。
此外，准束缚态对于波长具有高度的敏感性，即使是微小的波长变化，也会引起准束缚态的显著变化。
这让基于准束缚态的红外成像系统，具有极高的光谱分辨率，故能适用于气体检测和环境监测等领域。
相比传统的红外成像技术，本次设计方案基于单个高 Q 因子硅谐振器和准束缚态，能够实现多方面的提升。
具体来说：
其一，传统红外成像通常依赖于热成像或光电探测器，不仅灵敏度较低，而且对于环境干扰十分敏感。
而本次基于单个硅谐振器的非线性成像技术，采用逐点扫描的方式，能将红外像以逐点的方式还原到可见光区域，故能实现高效率、高灵敏度的红外成像。
实验结果显示，即使在极低输入功率之下，本次方案仍能获得信噪比较高的图像。
其二，高 Q 因子谐振腔和准束缚态的结合，让光场能被高度局限在谐振腔之内，从而能够大幅提高光场强度，进而可以显著增强非线性过程，最终能够极大提高红外光到可见光的转换效率。
其三，凭借准束缚态的灵活可调性，让本次系统能够适应多种应用场景。
通过调节谐振器的几何参数，就能实现谐振频率和场分布的精确控制，从而实现对于不同波段红外光的成像。
日前，相关论文以《高 Q 准 BIC 态控制下的非线性硅谐振器红外成像》（Infrared imaging with nonlinear silicon resonator governed by high-Q quasi-BIC states）为题发在 Journal of Optics[1]。
加百列·桑德森（Gabriel Sanderson）和郑泽是共同一作，英国诺丁汉特伦特大学徐雷教授担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Journal of Optics）
突破现有红外成像技术的限制
在第二项成果中，课题组将波导模式和超表面共振模式加以结合，借此得以在超表面中产生高度局域的电磁场。
对于这种导模共振来说，它不仅拥有波导模式的优点，而且能同时实现自由空间的直接激发，它的 Q 值也能被灵活操控。
（来源：Light: Science & Applications）可以说，导模共振就像一个“光学谐振腔”，光子会在其中来回振荡，就像被困在小盒子里一样，会产生强烈的电磁场约束。
这样一来，就能显著增强光与材料的相互作用，让非线性过程变得更容易发生。即通过给光子提供一个“放大器”，让它们更容易产生其他频率的光。
（来源：Light: Science & Applications）相比传统的超表面，导模共振超表面的光谱位置具备可调节性。
即通过调整超表面的周期、或调整入射光的角度，就能轻松地在大波长范围内控制和移动共振位置。
这时，导模共振超表面就能在更宽的波长范围之内，针对红外光进行高效的非线性转换。
就等于给“光学谐振腔”增加一个“调频旋钮”，从而能够通过调整超表面的结构参数，来选择感兴趣的波段。
正是凭借这种特性，让导模共振超表面能在宽谱探测和多光谱成像等领域发挥独特优势。
此外，对于导模共振超表面的单元结构来说，它能被设计得十分小巧，从而能够实现更高的空间分辨率。
其原理类似于：当使用更小的像素来构建相机，就能获得加更清晰的图像。
而这种高空间分辨率的优势，能让导模共振超表面更好地用于医学诊断和材料检测等领域。
与此同时，针对介质超表面结构加以优化，能够实现更好的宽带响应。在这一过程之中，材料选择无疑是至关重要的一环。
（来源：Light: Science & Applications）为了能在宽带范围内捕获光，并能在结构中产生强烈的光-物质相互作用，所选择的材料必须在整个宽带范围内具有良好的透光性。
硅，是一种具有高折射率的材料。它不仅能提供出色的光束约束，并且能在红外波段保持较高的透明度。
凭借这种特性，能够确保在非线性过程和共振机制之中，让超表面表现出极高的效率和性能。
而谐振器的纵横比、超表面的周期性设计等几何参数，也扮演着至关重要的角色。
这些几何参数能够决定导模共振在不同波段的共振位置，从而让系统在宽波段范围之内保持有效响应。
概括来说，通过选择合适的材料、以及精确地调整几何参数，至少能给宽带响应的介质超表面带来如下两中好处。
即不仅能够极大地提升非线性光学过程的效率，还能提供更丰富的成像信息，从而能为红外成像领域开辟新的可能。
这让红外成像在保持高灵敏度的同时，还能显著降低能耗。在导模共振的帮助之下，人们将能设计出更小的单元结构，甚至比传统超表面还小。
由于单元结构比较小，因此可以提升空间分辨率，进而能够更好地在亚波长尺度上操控光。
从而能够实现更高的成像精度，这样一来就能用于医学诊断和高精度传感等需要详细红外成像的应用场景。
另外，导模共振光谱位置具有较好的可调节性。通过调整超表面的周期、或者调整入射光的角度，就能在较大的波长范围之内，针对共振位置进行控制和移动。
这种可调节性的好处在于：让人们能为非线性过程选择最合适的泵浦波长，从而让系统能够适应不同的红外波段，进而提高效率和灵活性。
总的来说，这种基于导模共振的方案不仅可以显著提升红外成像的精度，同时具备广泛的波长适应能力。
既突破了现有红外成像技术的限制，也为各类高要求的成像应用和传感应用提供了全新方案。
（来源：Light: Science & Applications）日前，相关论文以《介电超表面中受导模共振控制的宽带红外成像》（Broadband infrared imaging governed by guided-mode resonance in dielectric metasurfaces）为题发在 Light: Science & Applications[2]。
郑泽是第一作者，英国诺丁汉特伦特大学莫赫森·拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授和徐雷担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）
在量子课题上找到新想法
事实上，一开始由于激光脉宽的限制，导致他们在设计结构时面临着很大困难。
经过一段时间的研究，该团队发现设计半刻蚀的硅基超表面，能针对共振 Q 值和频域实现既简单、又灵活的调控。
而这种结构不仅帮助他们完成了本次研究，也让他们在量子课题上找到了一些新想法。
目前，他们正在与英国帝国理工学院的研究人员合作，旨在探索这种结构在量子信息处理上的应用潜力。
图 | 前排左：Mohsen Rahmani 教授。前排右：徐雷教授。后排左：Gabriel Sanderson 博士生。后排右：郑泽博士。（来源：资料图）
除此之外，基于本次成果课题组已经拟定了三个后续目标。
首先，将致力于实现集成化与小型化。
即把超表面与导波光子芯片加以紧密集成，力争实现芯片级的红外成像系统。
旨在将普通物镜和光学元件集成在一起，让系统的尺寸能够缩至毫米级，同时还能保持较高的转换效率和成像质量。
其次，将致力于实现多维度信息的提取。
除了传统的强度成像之外，他们还将探索如何提取更多的光学信息，例如提取偏振信息和相位信息等。
通过分析这些信息，将能对目标物体实现更加深入的了解。例如，可以利用偏振信息来区分不同类型的生物组织，或者利用相位信息来实现高精度的测量等。
最后，将致力于拓宽应用范围。
除了开展量子方向的研究之外，他们还将继续探索将本次技术用于生医成像和材料科学等领域。
参考资料：1.Sanderson, G., Zheng, Z., Melik-Gaykazyan, E., Gordon, G. S., Cousins, R., Ying, C., ... & Xu, L. (2024). Infrared imaging with nonlinear silicon resonator governed by high-Q quasi-BIC states. Journal of Optics, 26(6), 065505.
2.Zheng, Z., Smirnova, D., Sanderson, G. et al. Broadband infrared imaging governed by guided-mode resonance in dielectric metasurfaces. Light Sci Appl 13, 249 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01535-w
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