1 / 1从左至右:用于上转换成像的非线性光学反射镜示意图

人眼只能看到特定频率的光(称为可见光谱)，其中最低的频率构成红光。我们看不见的红外光，其频率甚至比红光还要低。印度科学研究所(IISc)的研究人员现在制造了一种设备，可以增加或“上转换”短红外光到可见光范围的频率。

光的上转换具有多种应用，特别是在国防和光通信方面。首先，IISc团队使用二维材料设计了他们所谓的非线性光学反射镜堆栈，以实现这种上转换，并结合宽视场成像能力。该堆栈由多层硒化镓组成，固定在金反射表面的顶部，中间夹着二氧化硅层。

传统的红外成像使用特殊的低能量带隙半导体或微辐射热计阵列，它们通常从被研究对象中获取热量或吸收特征。

红外成像和传感在从天文学到化学的各个领域都很有用。例如，当红外线穿过气体时，感知光线的变化可以帮助科学家梳理出气体的特定性质。使用可见光，这种传感并不总是可能的。

然而，现有的红外传感器体积庞大，效率不高。由于它们在国防中的用途，它们的出口也受到限制。因此，迫切需要开发本地和有效的装置。

IISc团队使用的方法包括将输入的红外信号与泵浦光束一起馈送到反射镜堆栈上。构成堆叠的材料的非线性光学特性导致频率的混合，导致输出光束的频率增加(上转换)，但其余的特性完好无损。利用这种方法，他们能够将波长在1550 nm左右的红外光上转换为622 nm的可见光。输出光波可以用传统的硅基相机检测到。

“这个过程是相干的——输入光束的特性在输出端被保留。这意味着，如果一个人在输入红外频率上印记一个特定的模式，它会自动转移到新的输出频率，”电子通信工程系(ECE)副教授、该研究的通讯作者Varun Raghunathan解释说，该研究发表在《激光与光子学评论》上。

他补充说，使用硒化镓的优势在于其高度的光学非线性，这意味着红外光的单个光子和泵浦光束的单个光子可以结合在一起，产生频率上转换的单个光子。

该团队能够实现上转换，即使只有45纳米的硒化镓薄层。小尺寸使得它比使用厘米大小晶体的传统设备更具成本效益。其性能也可与当前最先进的上转换成像系统相媲美。

Jyothsna K Manattayil，欧洲经济学院的博士生和第一作者，解释说他们使用粒子群优化算法来加速所需层的正确厚度的计算。根据厚度的不同，可以通过硒化镓并被上转换的波长会有所不同。这意味着材料厚度需要根据应用进行调整。

“在我们的实验中，我们使用了1550纳米的红外光和1040纳米的泵浦光束。但这并不意味着它对其他波长不起作用，”她说。“我们发现，在从1400纳米到1700纳米的红外波长范围内，性能并没有下降。”

展望未来，研究人员计划将他们的工作扩展到上转换波长更长的光。他们还试图通过探索其他堆叠几何形状来提高设备的效率。

“全世界都对不使用红外传感器进行红外成像很感兴趣。我们的工作可能会改变这些应用的游戏规则，”Raghunathan说。