「我們證實了利用矽基光學超表面通過三次諧波在紅外成像上的潛力，為通過非線性矽基納米光子學來研發下一代紅外成像技術邁出了重要一步。」英國諾丁漢特倫特大學教授徐雷表示。
圖 | 徐雷（來源：徐雷）
當前，剛好也是光學超表面研究，從理論向應用轉向的一個過程，因此本次成果非常及時。
同時，在本次課題的理論設計上，徐雷等人利用連續體中的束縛態概念，來實現任意品質因子納米結構的操控，這為降低光源強度依賴性提供了很好的思路。
首先，本次成果可被用於夜視技術，從而集可見光、以及紅外光成像於一體，利用普通的矽基探測器直接實現高性能的夜間紅外探測。
其次，本次成果可被用於醫學檢測，通過將紅外光轉到到可見光波段，根據光學探測蛋白質結合和構象變化、藥物分子與靶標分子之間的相互作用等，從而在檢測埠實現對於紅外光背底噪聲的完全抑制，進而助力於提高醫學檢測的靈敏度和性能。
再次，本次成果可被用於食品檢測和國防安全，即結合非線性超表面、以及可調諧非線性超表面，有望實現紅外波段的超分辨成像技術。
（來源：Opto-Electronic Advances）
讓紅外圖像轉換為可見光
一直以來，紅外探測被廣泛用於各個領域，比如通過測量材料對紅外輻射的吸收，可以提供關於分子結構和化學鍵的信息，故在醫學診斷、視頻質量控制、環境監測、夜視和安全等領域都有著很大潛力。
紅外探測的不斷創新和發展，將有望推動其在醫療、食品、環保和安防等方面的應用。
然而，紅外探測技術的當前挑戰在於：紅外探測器大部分基於熱探測器，儘管成本較低但是速度較慢，而且靈敏度不足，嚴重限制了其性能。
半導體探測器作為另一種選擇，雖然具有高靈敏度的優勢，但其常常需特殊冷卻、以及複雜的處理工藝，要麼就是需要極低溫度來維持適當的性能水平。
這些技術難題限制了紅外成像系統的靈活性和可靠性，影響了其在各種應用場景下的性能。因此，紅外成像領域迫切需要創新性解決方案，以克服當前技術的局限性。
而這可能涉及新型材料的研發、更高效探測器技術的研發、以及新型冷卻和處理方法的研發。
過去十多年中，由亞波長尺度介質諧振器組成光學超表面結構，受到廣泛關注。這種結構可以增強光電磁場的局域效應。
通過巧妙設計這些結構，就能調控入射光的相位、振幅、偏振以及近場光局域的程度。
同時，光學超表面具有高度的靈活性和功能性，並已經在光學領域取得許多新成果，例如替代傳統光學元件的透鏡、稜鏡和偏振器，這不僅減小了傳統光學系統的體積，還能帶來性能的提高。
通過非線性過程，可以實現紅外光的頻率轉換，為將紅外轉換為可見光提供手段。這樣一來，只需使用普通且廉價的矽基探測器，就能實現紅外成像。
此外，不同的非線性混頻過程可以提高能量利用效率，為實現高效紅外成像系統提供可能性。
而對於超表面來說，它在微型化、靈活性和輕量化方面展現出的獨特潛力，更是為實現新一代紅外成像技術提供了很好的平台。
以上，也是徐雷團隊本次課題的出發點。研究中，他們利用結合非線性光學超表面的方法，通過非線性光學這一過程，可以讓紅外圖像轉換為可見光，從而讓普通矽基探測器直接探測紅外圖像成為可能。
（來源：Opto-Electronic Advances）
當親眼看到綠光的時候......
據介紹，徐雷對於成像技術和非線性光學一直充滿興趣。此前在澳洲工作時，他就曾與當時的合作者使用二次諧波和頻過程實現紅外探測。在當時，他們是第一個開展該類嘗試的科研團隊。
自 2016 年起，徐雷開始深入研究非線性納米光子學。彼時，Mie 共振機制和理論，在納米光子學領域的發展越來越快，這不僅為各種體系的應用提供了框架，還能為預測光的傳播特性帶來指導。
期間，徐雷積累了不少關於非線性納米光子學方面的知識。2020 年 9 月，他來到英國諾丁漢特倫特大學，與該校的莫赫森·拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授以及應翠鳳講師，共同組建了先進光學與光子學實驗室。
「Rahmani 教授偏重於樣品加工，他對於材料領域以及相關應用的研究有著很深的功底。應翠鳳女士則在納米光學和生物探測上具有很豐富的經驗。我們仨的技能正好互為補充、各有所長。」徐雷表示。
在研究材料屬性、結構設計、以及 Mie 共振等手段，在實現非線性光場增強和光場的操控之後，他們三位以及博士生鄭澤開始考慮如何將非線性光學與解決實際問題相結合，隨後不久啟動了本次課題。
結構材料與參數設計，是擺在面前的第一個問題。要想最終實現應用化，必須從非線性材料的角度，考慮後期器件的集成化。
鑒於矽材料本身具有良好的非線性效應，再加上矽的加工工藝相對成熟，於是他們選擇矽作為研究材料。
原因在於：這樣不僅能夠考慮到非線性效應，還能充分利用矽的加工工藝，從而加工複雜的結構，進而增強紅外光到可見光的轉化效率。
證明上述方案的可行性之後，他們開始進入實驗階段。由於徐雷自身的研究方向，介於理論與實驗之間。
因此，他一般會在實驗前先進行理論模擬。但是，實驗並非一帆風順，尤其是最初得到的信號與預期不符。
徐雷說：「可能大部分人會在這時候覺得比較受挫。但是，這些看似不成功的實驗數據，實際上是我最感興趣的部分，因為它們或許可以指出理論和實驗上的待改善之處。」
在他看來，如果所有實驗結果都和理論預期保持一致，反而並不是最好的。科學史上的很多關鍵性進步，都是基於一些失敗的實驗數據啟發而來。
舉例來說，他們在最初設計器件結構時，曾嘗試通過高品質因子的結構來實現光局域增強。然而，實驗結果顯示高品質因子並非最佳選擇。
這種意外的實驗結果，也促使他們進一步完善理論模型、以及改進實驗方案，進而也引發了他們對於使用連續光和超快光，在成像以及傳感上的思考，並為研發紅外成像技術帶來了一定啟發。
（來源：Opto-Electronic Advances）
同時，完成本次課題組的過程，也是徐雷培養自己第一個博士生的過程。這名博士生便是前面提到的鄭澤。
研究中，師生之間形成了互相學習的良好互動。徐雷也有意識地讓鄭澤更多地參與光路搭建，以培養獨立設計實驗的能力。
「尤其重要的是，我一直注重培養他的科研自信心，鼓勵他提出獨立的想法，以及相信自己的能力。」徐雷說。
搭建非線性測試系統的時候，鄭澤是第一次涉足這類系統的搭建。當他第一次看到非線性信號產生，並能親眼看到綠光的時候，鄭澤的興奮之情感染了整個實驗室。
徐雷說：「作為導師，看到他如此投入和滿足的表情，讓我和 Mohsen 教授還有應翠鳳女士都感到無比欣慰。」
在三位老師以及鄭澤的努力之下，本次成果顯示了矽基光學超表面在非線性納米光子學領域的應用前景，這不僅為非線性光學的實際應用提供了新思路，也為後續開展更深入的研究奠定了基礎。
最終，相關論文以《諧振矽膜超表面的三次諧波產生與成像》（Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface）為題發在 Opto-Electronic Advances（IF 14.1）。
鄭澤是第一作者，英國諾丁漢特倫特大學的徐雷教授和莫赫森·拉赫曼尼（Mohsen Rahmani）教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Opto-Electronic Advances）
接下來，他們將在理論方面繼續深入發掘，以期增強紅外光的轉換效率，同時不斷壓縮紅外成像對於光源能量的要求。
同時，也將重點考慮器件的集成化和多功能性、探索如何將圖像信號處理和光譜信息提取等功能結合起來、以及如何利用超表面實現多功能成像晶片器件，從而更好地走向應用。
徐雷繼續表示：「另外，我想提到一點的是，每個人的技能不一樣，對事物的看法不一樣。有時一個純實驗工作者隨口的一句話，可能會激發理論工作者的重要靈感。」而一個純理論的學者，可能也會為實驗方案起到畫龍點睛的作用。
就以數學研究和物理研究為例：物理中有很多不同的現象和機制。但是，一個數學家可能不會去關注不同的現象，而是直接從公式上看到各個現象和機制的關聯之處。同時，這些關聯往往也是實現物理突破的關鍵點。
「有時候我們以為的非專業人士，反而給出更深刻的見解。因此，和不同知識背景的人合作，對於科研來說非常重要。」徐雷最後表示。
參考資料：
1.Zheng, Z., Xu, L., Huang, L., Smirnova, D., Kamali, K. Z., Yousefi, A., ... & Rahmani, M. (2023). Third-harmonic generation and imaging with resonant Si membrane metasurface.Opto-Electronic Advances, 220174-1.
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