加州大學(xué)開發(fā)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換新方法，可用于傳感和成像應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)薩繆利工程學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出了一種更高效的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方法，據(jù)稱有望為成像、傳感和通信系統(tǒng)的性能改善打開新大門。加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆利工程學(xué)院的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Mona Jarrahi領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，該研究成果已于上周在Nature Communications發(fā)表。

找到一種有效的方法來(lái)轉(zhuǎn)換光的波長(zhǎng)，對(duì)于許多成像和傳感技術(shù)的開發(fā)至關(guān)重要。例如，將入射光轉(zhuǎn)換為太赫茲波，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)不透明環(huán)境的成像和傳感。然而，此前開發(fā)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換框架效率很低，并且需要龐大而復(fù)雜的光學(xué)裝置。

納米天線陣列結(jié)合InAs晶格，可以彎曲入射光

半導(dǎo)體表面態(tài)

UCLA領(lǐng)導(dǎo)的研究小組設(shè)計(jì)出了一種新解決方案，他們通過(guò)探索一種通常不受歡迎但卻是自然現(xiàn)象的半導(dǎo)體表面態(tài)，來(lái)提高光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。

在半導(dǎo)體材料中，表面總會(huì)有邊界的存在。而在邊界處，由于外部已經(jīng)沒有原子與表面硅原子結(jié)合，所以處在表面的硅原子會(huì)有未配對(duì)的電子存在，即有未飽和的鍵，被稱為懸掛鍵。這些不完整的懸掛鍵，會(huì)阻礙電荷流過(guò)半導(dǎo)體器件并影響其性能。

UCLA太赫茲電子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Jarrahi說(shuō)：“一直以來(lái)，業(yè)界付出了很多努力來(lái)抑制半導(dǎo)體器件中表面態(tài)的影響，但是并沒有意識(shí)到它們具有的獨(dú)特電化學(xué)特性，可以實(shí)現(xiàn)前所未有的器件功能。”

光纖尖端的納米天線陣列，可用于太赫茲波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

事實(shí)上，這些不完整的懸掛鍵在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生了一個(gè)淺而巨大的內(nèi)在電場(chǎng)，研究人員決定利用表面態(tài)來(lái)改善光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

入射光擊中半導(dǎo)體晶格中的電子，并將它們遷移到更高的能態(tài)，此時(shí)它們可以在晶格中自由躍遷。半導(dǎo)體表面產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)一步加速了這些光激發(fā)的高能電子，然后這些電子以不同的光波長(zhǎng)輻射所獲得的額外能量，從而實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

不過(guò)，這種能量交換只能發(fā)生在半導(dǎo)體表面。為了解決這個(gè)問題，研究小組采用了一種可以彎曲入射光的納米天線陣列，從而將其限制在半導(dǎo)體的淺表面周圍。

該研究的主要作者、Jarrahi研究實(shí)驗(yàn)室成員Deniz Turan說(shuō)：“通過(guò)這種新的框架，光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換變得很容易進(jìn)行，而且不需要任何額外的能量源?！盌eniz Turan最近從UCLA獲得了電氣工程博士學(xué)位。

研究人員成功且高效地將1550納米波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)范圍從100微米到1毫米的太赫茲波。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將這項(xiàng)新技術(shù)整合到內(nèi)窺鏡探頭中，驗(yàn)證了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率，該探頭可以利用太赫茲波進(jìn)行詳細(xì)的體內(nèi)成像和光譜分析。

如果沒有新的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換框架，需要100倍的光功率才能達(dá)到相同的太赫茲波成像效果，而內(nèi)窺鏡探頭中使用的薄光纖無(wú)法支持這種功率。這項(xiàng)突破還可以應(yīng)用于從微波到遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)的電磁光譜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。