南昌大学研发硅基非线性超构表面,助力高效红外上转换成像

南昌大学信息工程学院成像与视觉表示研究团队在非线性光学成像领域取得重要研究进展。团队提出基于准连续域束缚态（Quasi-Bound States in the Continuum, Quasi-BICs）的硅基非线性超构表面设计，实现了高效的红外上转换成像。相关成果以“High-efficiency infrared upconversion imaging with nonlinear silicon metasurfaces empowered by quasi-bound states in the continuum”为题，在线发表于光学领域国产顶级期刊Opto-Electronic Advances（影响因子：22.4）。

红外成像技术利用目标物体的热辐射或特定大气窗口的穿透特性，在夜视、工业检测、生物医学及遥感等领域具有重要作用。然而，传统红外探测器受窄带隙半导体材料限制，面临两大瓶颈：一是为抑制严重热噪声常需深低温制冷，显著增加体积、功耗与成本；二是其灵敏度与响应速度通常不及成熟的硅基可见光探测器。针对这一问题，非线性频率上转换技术提供了一种有效的解决途径。其核心物理过程是通过非线性光学效应，将入射的红外光子转换至可见光波段。这样，红外目标信息便可直接被高灵敏度、低成本且可在室温下工作的硅基CMOS或CCD相机捕捉。早期研究主要依赖体材料非线性晶体，但其相位匹配条件严格，限制了工作带宽与接收角，且系统体积大、难以集成。

近年来，随着微纳加工技术的发展，基于超构表面的非线性光学调控成为了领域内的研究重点。超构表面由亚波长尺度的纳米单元阵列组成，能够在极薄的物理厚度内实现对比度极高的电磁场局域增强，并打破传统体材料中的相位匹配限制。然而，超构表面在非线性频率转换效率方面一直难以满足实用化需求。如何在微纳尺度下进一步增强光与物质的相互作用，利用高品质因子（Q因子）共振提升非线性转换效率，是目前红外成像技术向微型化、高性能迈进的关键科学问题。

图1 Quasi-BICs超构表面实现的红外上转换成像

针对这一难题，研究团队设计了由硅纳米圆盘与椭圆盘构成的二聚体单元（图1(a)）。不同于传统的同时在多个方向引入扰动的设计，该工作通过精确控制椭圆盘在单方向（x轴）上的面内对称性破缺程度，将原本不与连续域辐射模耦合的BICs转化为具有有限寿命的Quasi-BICs共振。这种单向扰动策略能够更有效地抑制辐射损耗，实验测得该超构表面在近红外波段表现出高Q因子的共振特性，其实验Q因子最高可达4000。为验证该技术在红外成像领域的应用潜力，研究团队搭建了非线性上转换成像系统，对多种目标图案进行了演示（图1(b)和1(c)）。实验采用西门子星（Siemens star）分辨率靶标作为测试对象，结果显示，上转换后的可见光图像能够清晰地分辨靶标中心的细微条纹，其空间分辨率约为6 μm。此外，该平台对复杂字符图案（如“NCU”）也展现了良好的上转换保真度，图像轮廓清晰且具有较高的信噪比。

该研究展示的非线性超构表面具有完全的CMOS工艺兼容性，且基于成熟的半导体加工平台，具备大规模量产与集成的潜力。相比于传统的基于和频过程的成像方案，该方法仅需单束泵浦光即可实现上转换，显著降低了系统的复杂性。这一成果不仅为研究强场环境下光与物质相互作用提供了新的物理平台，也为未来开发微型化、高性能、工作于室温环境下的红外传感器及全光信息处理器件提供了重要的技术支撑。

南昌大学信息工程学院为论文第一完成单位，刘婷婷特聘研究员为第一作者，刘且根教授、肖书源副研究员为共同通讯作者。研究获国家自然科学基金、江西省自然科学基金及江西省青年科技人才托举项目资助。