一种微型超表面芯片可以将红外光转化为可见光

一种微型超表面芯片可将不可见的红外光转化为可操控的可见光束，为强大的新型光学技术打开了大门。

开发能够精确引导和操纵光线的微型器件对许多新兴技术至关重要。纽约市立大学高级科学研究中心（CUNY ASRC）的科学家们日前展示了一项重要进展：他们创造了一种超表面，能够将不可见的红外光转化为可见光，并使其向不同方向发射——整个过程无需任何移动部件。该研究成果发表在《eLight》期刊上。

超薄超表面芯片的工作原理

这种新型超表面构建在一块超薄芯片上，其表面覆盖着比光波长本身还要小的微细结构图案。当红外激光照射该表面时，芯片会将入射光转换为更高颜色（或频率）的光。新产生的光以窄光束形式离开芯片，仅需改变入射光的偏振方向，即可调整光束的指向。

测试中，研究人员将波长约1530纳米的红外光转换为约510纳米的可见绿光。实验中使用的红外波长与光纤通信系统中常用的光波长相似。研究团队还能够将绿光束导向特定角度。

"可以把它想象成一个扁平的微型聚光灯，它不仅能改变光的颜色，还能将光束指向你想要的任何方向，所有这些都集成在一个芯片上，"纽约市立大学高级科学研究中心光子学倡议创始主任、杰出教授Andrea Alù解释道。"通过让表面的不同部分协同工作，我们既实现了非常高效的光转换，又能精确控制光的去向。"

克服长期存在的超表面性能权衡难题

多年来，工程师们一直利用超表面，通过纳米级工程化的平面材料来弯曲、聚焦和重塑光线。然而，这些器件通常面临一种权衡：

控制表面每个像素点光线的结构灵活，但增强光的效率不高。

允许光波在整个表面传播和相互作用的结够效率很高，但会失去对光束形状的精细控制。

纽约市立大学团队创造的器件是首个在非线性光产生过程中结合了上述两种优势的装置。非线性光产生是指将一种颜色的光转换为另一种颜色的过程。该器件依赖于一种特殊的集体共振——称为"准连续域束缚态"——它能捕获并增强整个表面的入射红外光。同时，超表面上的每个微小元件都按照精心设计的图案旋转，为出射光提供依赖于位置的特殊相位，其效果类似于内置了一个透镜或棱镜。

产生并操控三次谐波

由于这种特殊结构，该芯片能够产生三次谐波——即频率为入射光束三倍的光——同时还能将产生的光束导向选定方向。当入射光的偏振方向反转时，出射光束的方向也会反转。这为光束操控提供了一种简单的控制机制。

该系统产生的三次谐波信号效率比类似能塑造光束但缺乏这种集体共振的器件高出约100倍。

迈向紧凑型光源与片上光子学

利用平面芯片高效地产生和引导新颜色光的能力，可能为未来一系列技术应用铺平道路。

"这一平台为超紧凑光源和光束操控元件的研发开辟了道路，这些技术可应用于LiDAR（激光雷达）、量子光产生和光信号处理等领域，且全部可直接集成在芯片上，"论文第一作者Michele Cotrufo表示，他曾是纽约市立大学的博士后研究员，现为罗切斯特大学助理教授。"由于这一概念是由几何结构而非特定材料驱动的，因此它可以应用于许多其他非线性材料以及不同颜色的光，包括紫外光。"

研究人员认为，该技术的未来版本可以堆叠或组合多个略微调谐不同的超表面。这种方法可以使系统在更宽的波长范围内高效运行。

相关链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43593-025-00116-7