Recentemente, a equipe do Pesquisador Liu Hongjun do Laboratório de Óptica Transiente do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xi'an, da Academia Chinesa de Ciências, alcançou progresso importante na área de imagem de conversão ascendente de frequência não linear infravermelha média baseada em metassuperfícies. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Laser & Photonics Reviews. O primeiro autor do artigo é Zhang Congfu, estudante de doutorado do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xi'an, e o autor correspondente é Liu Hongjun, do mesmo instituto.
A banda infravermelha média (3–5 μm), como uma importante janela de transmissão atmosférica, desempenha um papel fundamental em áreas como biomedicina e monitoramento ambiental. A tecnologia de conversão ascendente de frequência não linear pode converter sinais de luz infravermelha média, difíceis de detectar diretamente com alta sensibilidade, para a banda infravermelha próxima ou visível, permitindo detecção de alto desempenho por meio de detectores de silício de pequeno volume e alta eficiência quântica, sendo uma das rotas tecnológicas centrais no campo da detecção infravermelha média. Em comparação com dispositivos ópticos não lineares tradicionais, metassuperfícies não lineares podem melhorar significativamente a interação luz-matéria em escala sub-wavelength, superando assim as condições rigorosas de correspondência de fase. Nos últimos anos, embora metassuperfícies não locais de alto fator de qualidade tenham sido aplicadas para aprimorar efeitos não lineares, tem sido difícil alcançar conversão ascendente de frequência contínua eficiente sob condições de baixo limiar e luz fraca, ao mesmo tempo em que se mantém uma capacidade flexível de ajuste espectral, o que limita diretamente o processo de aplicação prática da tecnologia de detecção infravermelha média baseada em metassuperfícies de alto desempenho.
Para abordar os problemas acima, a equipe de pesquisa, utilizando niobato de lítio em filme fino como plataforma óptica não linear, propôs um método de conversão ascendente de frequência não linear baseado na modulação de modos quase-guiados (quasi-guided mode, QGM) (Figura 1). Este método introduz ressonâncias de modos quase-guiados por meio do dobramento da zona de Brillouin, construindo modos ressonantes estáveis de alto fator de qualidade em uma ampla faixa de vetores de onda; além disso, utilizando o forte acoplamento entre modos quase-guiados e ressonâncias de modos guiados (guided-mode resonance, GMR), expande a faixa de correspondência de modos no sistema de ressonância de modo guiado único, permitindo que diferentes modos ressonantes aprimorem efetivamente os efeitos não lineares. Combinado com a capacidade de ajuste ressonante em ampla faixa de vetores de onda, este método expande significativamente a faixa de ajuste da conversão de frequência, alcançando melhoria simultânea da eficiência de conversão e da sintonizabilidade espectral.
Figura 1 Diagrama esquemático da conversão ascendente de frequência em metassuperfície (a) Diagrama esquemático da estrutura da metassuperfície e do princípio QGM; (b) Características espectrais lineares e não lineares da metassuperfície
Com base no método acima, a equipe de pesquisa construiu um sistema de imagem de conversão ascendente de frequência infravermelha média em niobato de lítio em filme fino. No experimento, foi alcançada com sucesso a imagem de conversão ascendente por soma de frequências de um sinal infravermelho médio de 4,33 μm com laser contínuo de baixa intensidade (Figura 2). Ao ajustar o comprimento de onda da bomba infravermelha próxima, a equipe verificou a capacidade de ajuste ressonante do lado da bomba e seu impacto no processo de conversão não linear, e, combinada com análise de dispersão, demonstrou ainda o potencial de aplicação da imagem de conversão de frequência infravermelha média sintonizável em banda larga.
Figura 2 Resultados da imagem de conversão ascendente de frequência em metassuperfície
Zhang Congfu explicou: "A espessura da metassuperfície não linear é apenas um centésimo do diâmetro de um fio de cabelo, e dezenas de milhares de nanoestruturas são integradas em uma área do tamanho de uma semente de gergelim. Utilizando o efeito de ressonância de modos quase-guiados, primeiro, como sintonizar uma estação de rádio, fazemos a estrutura receber apenas luz de comprimentos de onda específicos, coletando continuamente a energia da luz fraca; depois, como uma torre de amplificação de sinal, concentramos essa energia em um filme extremamente fino, amplificando o efeito da luz. Dessa forma, a conversão de frequência que originalmente exigia lasers potentes de alta intensidade agora pode ser concluída com luz fraca comum. Isso resolve um grande problema para aplicações em dispositivos miniaturizados, como detecção de luz fraca infravermelha média e imagem biomédica não invasiva."
Esta pesquisa expande a capacidade de ajuste de metassuperfícies não locais para o campo da conversão de frequência não linear de onda contínua, fornecendo não apenas um novo caminho tecnológico para tecnologias de detecção infravermelha média miniaturizadas, de baixo custo e alta sensibilidade, mas também, graças ao potencial de integração on-chip dessa tecnologia, demonstra amplas perspectivas de aplicação em cenários como detecção de gases, monitoramento ambiental, imagem biomédica e sensoriamento fotônico integrado.
A equipe do Pesquisador Liu Hongjun tem conduzido pesquisas sistemáticas em torno dos mecanismos de modulação e aprimoramento de campos de luz em metassuperfícies não lineares nos últimos anos, com resultados relevantes publicados em periódicos como Laser & Photonics Reviews e Nanoscale Horizons.