非线性频率转换是一种将光从一个频率转换到另一新频率的基本现象，已在非线性成像、量子计算和光学传感等领域获得了广泛应用。最近，由亚波长共振原子组成的超构表面被认为是在纳米尺度上实现非线性频率转换的一种新型超紧凑平台。通过激发等离子共振或多极共振以获得极强的光-物质相互作用，可以显著增强非线性超构表面内的非线性频率转换。此外，非线性超构表面的转换效率，主要由共振引起的场增强决定，这与其它非线性平台（例如非线性晶体、光纤和波导）不同，后者的转换效率高度依赖于传播损耗和相位匹配项。因此，自由空间中的光可以直接耦合到非线性超构表面并产生非线性信号，这为超构表面在非线性成像领域的应用提供了优势。
非线性成像技术利用非线性频率转换来创建和转换图像，在传感、夜视和光谱学等广泛领域具有巨大的应用潜力。非线性超构表面能够操纵亚波长像素中非线性发射的振幅、相位和方向。由于这些独特特性，已有研究报道了对超构表面每个亚波长像素的振幅和相位分布进行编码，以实现非线性全息、成像编码、非线性超构透镜和非线性光路由。然而，相位变化和振幅操纵的效果主要来自共振，因此极大地限制了非线性超构表面的工作波长范围。此外，对于非线性全息和成像编码等应用，通常只能在单个超构表面中编码一个或几个预先设计的图像。尽管在非线性成像技术中采用可调超构表面已经做出了一些努力，但要实现对超构表面中每个单元的可调性和完全控制以显示图像，仍然是一项巨大的挑战。
为了实现任意物体的非线性成像，目前出现了利用非线性超构表面进行直接图像转换的概念。这种方法无需构建振幅和相位分布。相反，用于图像转换的超构表面旨在获得高转换效率，减少对高功率输入的依赖。连续体中的束缚态和非局部共振等概念，已被用于构建高Q值共振和强场增强，从而提高转换效率。然而，这些策略导致非线性超构表面的工作带宽很窄，极大地限制了非线性成像技术的应用潜力。
据麦姆斯咨询介绍，英国诺丁汉特伦特大学和澳大利亚国立大学的研究人员利用四波混频（FWM）过程绕过了高Q值共振工作带宽较窄的限制。通过在高Q值共振位置引入泵浦光束，成功利用FWM过程实现了从近红外到中红外光谱范围内任意物体的非线性成像。此外，研究人员还计算并测量了硅超构表面透射光谱的角度依赖性，观察了导模共振的拓扑共振分裂。研究人员测量了两个FWM过程对信号和泵浦光束的二次和线性功率依赖关系。实验和理论还证明了信号和泵浦光束对FWM发射的线性偏振依赖性。值得注意的是，通过实验证明，基于FWM的成像平台可以根据两个脉冲激光器的时间延迟来检测样品厚度。
硅超构表面及其计算带结构
研究人员在硅薄膜上设计了一个带有纳米盘阵列的硅超构表面。这种超构表面可以在近红外范围支持多个导模共振和一个Mie共振。理论和实验均已观察到并证明了多重共振分裂。在泵浦波长的导模共振作用下，在宽带信号光束波长范围内观察到了很强的FWM增强。
基于硅超构表面的红外成像技术及其转换成像示意图
各种物体的宽带红外成像
因此，该研究利用可见光硅相机实现了对任意物体的宽带红外成像。通过在泵浦波长设计高Q值导模共振，利用FWM可以进一步降低非线性成像对大功率信号输入的依赖。研究人员非常期待所提出的FWM成像技术，能够在实现下一代全光红外成像和光谱器件方面取得重大突破。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01535-w
