瑞士研究者提出新型太赫茲-中紅外探測(cè)技術(shù)

近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的物理學(xué)家們提出了一種新型探測(cè)紅外輻射的方法，具備高靈敏度的同時(shí)，甚至能夠探測(cè)到單光子信號(hào)。這是一種基于分子光力學(xué)平臺(tái)的納米級(jí)解決方案，可將太赫茲和中紅外(MIR))光子上轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)光-近紅外(VIS-NIR)波段，并利用全量子模型對(duì)其附加噪聲和轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行詳細(xì)分析。該研究以題為“Molecular platform for frequency upconversion at the single-photon level”，發(fā)表于 physics.optics ，論文地址為：https://arxiv.org/abs/1910.11395v1。

目前探測(cè)中遠(yuǎn)紅外輻射最流行的技術(shù)是微測(cè)輻射熱計(jì)，它是由一排小型溫度計(jì)陣列組成，通過(guò)測(cè)量吸收輻射所產(chǎn)生的熱量。這種探測(cè)器有許多局限性，特別是響應(yīng)速度慢，且無(wú)法探測(cè)到微弱的輻射信號(hào)。

由Christophe Galland和Tobias Kippenberg領(lǐng)導(dǎo)的EPFL團(tuán)隊(duì)提出了一種新探測(cè)方法，其遵循了一條完全不同的途徑：首先將不可見(jiàn)的輻射轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，然后用現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。該新概念的核心是雜化金屬-分子納米結(jié)構(gòu)。這種金屬經(jīng)過(guò)修飾，可以將紅外輻射聚焦在分子上，從而使分子產(chǎn)生振動(dòng)。然后振動(dòng)分子的能量再次轉(zhuǎn)化為輻射，但這一次是輻射出可見(jiàn)光。這種與Diego Martin-Cano(德國(guó)埃爾蘭根的馬克斯-普朗克光研究所)合作設(shè)計(jì)的混合納米結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)將器件縮小到遠(yuǎn)小于紅外光波長(zhǎng)的尺寸。

圖1 (a)為研究中研制的變頻器件示意圖;(b)為光機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)制的頻率圖。

該研究的第一作者Philippe Roelli認(rèn)為，在其方案所設(shè)想的各種概念性進(jìn)展中，最吸引人的方面涉及其潛在的靈敏度：“在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，分子振動(dòng)所產(chǎn)生的低水平噪聲使在室溫下檢測(cè)極其微弱的信號(hào)成為可能。借助先進(jìn)的設(shè)備，我們有望實(shí)現(xiàn)量子受限的轉(zhuǎn)換，并有機(jī)會(huì)解決紅外光的單光子探測(cè)?！?/p>

EPFL的研究將啟發(fā)未來(lái)在表面科學(xué)、納米技術(shù)和量子光學(xué)之間的交叉工作，以促進(jìn)在紅外傳感和成像領(lǐng)域應(yīng)用的新型設(shè)備的發(fā)展。