加州大學洛杉磯分校薩繆理工程學院的電氣工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種更有效的將光從一個波長轉換到另一個波長的方法，這為改善成像、傳感和通信系統(tǒng)的性能打開了大門。

加州大學洛杉磯分校薩繆理分校電氣和計算機工程教授莫娜·賈拉負責了這一在《自然通訊》雜志發(fā)表的研究工作。

找到一種有效的方法來轉換光的波長，對改善許多成像和傳感技術至關重要。例如，將入射光線轉換為太赫茲波長可以在光學不透明的環(huán)境中進行成像和感應。然而，以前的轉換框架效率低下，并且需要笨重和復雜的光學設置。

加州大學洛杉磯分校領導的團隊已經(jīng)設計出一種解決方案，通過探索一種通常不受歡迎但卻基于自然的現(xiàn)象：半導體表面狀態(tài)來提高波長轉換效率。當表面原子沒有足夠數(shù)量的其他原子與之結合時，就會出現(xiàn)表面狀態(tài)，導致原子結構的破壞。這些不完整的化學鍵，也被稱為 "懸空鍵"，對流經(jīng)半導體設備的電荷造成障礙，并影響其性能。人們一直在努力抑制半導體設備中表面狀態(tài)的影響，卻沒有意識到它們具有獨特的電化學特性，可以實現(xiàn)前所未有的設備功能。

放置在光纖頂端的制造的納米天線陣列的照片、顯微鏡和掃描電子顯微鏡圖像，用于光學到太赫茲波長的轉換。

事實上，由于這些不完整的鍵在半導體表面形成了一個淺而巨大的內置電場，研究人員決定利用表面狀態(tài)來改善波長轉換。

入射光線可以擊中半導體晶格中的電子，并將它們移動到一個更高的能量狀態(tài)，此時它們可以在晶格內自由跳躍。在半導體表面產生的電場進一步加速了這些被光激發(fā)的高能電子，然后它們通過在不同的光學波長上輻射來釋放它們獲得的額外能量，從而實現(xiàn)波長轉換。

然而，這種能量交換只能發(fā)生在半導體的表面，效率不高，為了解決這個問題，該團隊加入了一個納米天線陣列，它可以彎曲進入的光線，使其被緊緊地限制在半導體的淺表面周圍。通過這個新框架，波長轉換很容易發(fā)生，而且在入射光線穿過該領域時可以沒有任何附加能源的支持。

研究人員成功并有效地將1550納米波長的光束轉換為光譜的太赫茲部分，波長從100微米到1毫米不等。該小組通過將新技術納入一個內窺鏡探頭來證明波長轉換的效率，該探頭可用于利用太赫茲波進行詳細的體內成像和光譜分析。

如果沒有波長轉換方面的這一突破，就需要100倍的光功率水平來實現(xiàn)同樣的太赫茲波，而內窺鏡探頭中使用的細光纖無法支持。這一進展可適用于電磁波譜其他部分的光學波長轉換，從微波到遠紅外波長。

相關鏈接：https://phys.org/news/2021-07-wavelength-conversion.html