非线性超表面由于其在红外成像和光谱学等方面的应用潜力，近年来得到了快速的发展。然而，由于超表面的转换效率较低，人们采用了几种策略来提高其性能，包括在信号或非线性发射波长处使用共振。这种策略导致非线性超表面的工作频带狭窄，这已经成为许多应用的瓶颈，包括非线性全息，图像编码和非线性超透镜。
近日，诺丁汉特伦特大学Lei Xu、Mohsen Rahmani团队通过引入一种新的非线性成像平台来克服这个问题，该平台利用泵浦光束通过四波混频(FWM)增强信号转换，其中超表面在泵浦波长而不是信号或非线性发射处发生共振。因此，展示了使用超表面对任意物体的宽带非线性成像。引入了一种在泵浦波长处具有可激发导模共振的硅板片超表面。这使得从>1000到4000纳米的宽红外图像直接转换为可见。重要的是，通过利用泵浦光束强度与信号转换效率之间的二次关系，采用FWM大大减少了非线性成像对高功率信号输入或信号波束处谐振特征的依赖。因此，研究结果开启了超表面宽带红外成像能力的潜力，为芯片级光子器件的下一代全光红外成像技术取得了有希望的进展。研究成果以题为“Broadband infrared imaging governed by guided-mode resonance in dielectric metasurfaces”发表于《Light: Science & Applications》上。
图1：制备的Si超表面及其能带结构。
图2：Si超表面的性质，包括法向入射下的透射光谱、多极分析和谐振场分布。
图3：导模共振的角响应。
图4：Si超表面的非线性发射以及输入功率与非线性发射之间的功率依赖关系。
图5：基于Si超表面的红外成像技术原理图及其信号波长为1700 nm的转换成像。
图6：测量和模拟的信号和泵浦光束对FWM发射的线性偏振关系(ω 'FWMp=2ωpump−ωsignal)。
图7：各种目标的宽带红外成像。
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01535-w
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