在光电探测领域，中红外 3‑5 微米波段是公认的大气 “透明窗口”，气体分子、生物组织的大量特征信息都藏在这一频段之中。但长期以来，中红外成像设备普遍面临设备笨重、成本高昂，弱光环境下探测效率不足的难题，限制了它在民用场景大规模落地。近日，中科院西安光机所刘红军研究员团队完成超表面中红外非线性频率上转换成像重大突破，相关成果刊登国际权威期刊《Laser & Photonics Reviews》，为小型化红外探测打开全新技术路径。
这次研发的核心器件是一块超薄超表面，整体厚度仅为头发丝直径的百分之一，芝麻粒大小的芯片表面，排布着上万个精密纳米结构单元。团队选用薄膜铌酸锂作为基底材料，创新提出准导模调控的非线性频率上转换方案。过去实现频率转换往往需要大功率激光光源，这套新技术依靠共振效应，能够收集微弱中红外信号，把能量集中在薄膜极小区域放大，普通弱光条件下就可以完成信号转换，打破传统器件严苛的工作门槛。
简单来说，这套技术相当于给红外探测装上 “信号转换器”。它把难以直接捕捉的中红外光信号，转换为硅探测器可以高效识别的近红外、可见光波段，不用依赖昂贵的专用红外探测器，就能实现高灵敏度成像。实验当中，科研人员已经成功完成 4.33 微米波长弱中红外信号成像，同时验证器件具备灵活光谱可调能力，解决了过往超表面很难兼顾连续波弱光工作与波长调控的行业痛点。
传统中红外装备元件多、体积大，很多设备只适合实验室或者特种场景使用。而超表面器件可以和半导体加工工艺兼容，天生具备片上集成的优势，未来有机会把复杂红外成像系统压缩到芯片级别。这项技术落地之后，能够赋能多个民生与工业领域：大气环境监测可以快速识别污染气体；医疗领域实现无创生物样本检测；工业传感实现精密物质识别，同时也为红外夜视、安防探测提供轻量化新方案。
从材料底层机理突破，到纳米器件设计，再到整机成像验证，这一项成果是国内非线性超表面技术的重要里程碑。过去很多中红外核心器件依赖海外方案，西安光机所的研究，补齐连续波条件下超表面上转换成像短板，为国产红外光电装备小型化、低成本化打下扎实科研基础。未来随着工艺持续迭代，小小的超薄芯片，有望走进环境监测站、医疗设备，让高性能红外探测不再是高端设备专属。
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