UCLA工程师发明将光从一个波长高效转换到另一个的方法

找到一种有效的方法来转换光的波长，对改善许多成像和传感技术至关重要。例如，将入射光线转换为太赫兹波长可以在光学不透明的环境中进行成像和感应。然而，以前的转换框架效率低下，并且需要笨重和复杂的光学设置。

加州大学洛杉矶分校领导的团队已经设计出一种解决方案，通过探索一种通常不受欢迎但却基于自然的现象：半导体表面状态来提高波长转换效率。当表面原子没有足够数量的其他原子与之结合时，就会出现表面状态，导致原子结构的破坏。这些不完整的化学键，也被称为 "悬空键"，对流经半导体设备的电荷造成障碍，并影响其性能。人们一直在努力抑制半导体设备中表面状态的影响，却没有意识到它们具有独特的电化学特性，可以实现前所未有的设备功能。

放置在光纤顶端的制造的纳米天线阵列的照片、显微镜和扫描电子显微镜图像，用于光学到太赫兹波长的转换。资料来源：Deniz Turan/UCLA

事实上，由于这些不完整的键在半导体表面形成了一个浅而巨大的内置电场，研究人员决定利用表面状态来改善波长转换。

入射光线可以击中半导体晶格中的电子，并将它们移动到一个更高的能量状态，此时它们可以在晶格内自由跳跃。在半导体表面产生的电场进一步加速了这些被光激发的高能电子，然后它们通过在不同的光学波长上辐射来释放它们获得的额外能量，从而实现波长转换。

然而，这种能量交换只能发生在半导体的表面，效率不高，为了解决这个问题，该团队加入了一个纳米天线阵列，它可以弯曲进入的光线，使其被紧紧地限制在半导体的浅表面周围。通过这个新框架，波长转换很容易发生，而且在入射光线穿过该领域时可以没有任何附加能源的支持。

研究人员成功并有效地将1550纳米波长的光束转换为光谱的太赫兹部分，波长从100微米到1毫米不等。该小组通过将新技术纳入一个内窥镜探头来证明波长转换的效率，该探头可用于利用太赫兹波进行详细的体内成像和光谱分析。

如果没有波长转换方面的这一突破，就需要100倍的光功率水平来实现同样的太赫兹波，而内窥镜探头中使用的细光纤无法支持。这一进展可适用于电磁波谱其他部分的光学波长转换，从微波到远红外波长。