Kürzlich erzielte das Forschungsteam von Prof. Liu Hongjun am Labor für transiente Optik des Xi'an-Instituts für Optik und Feinmechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der metasurface-basierten nichtlinearen Frequenzaufwärtskonversions-Bildgebung im mittleren Infrarotbereich. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in Laser & Photonics Reviews veröffentlicht. Der Erstautor der Arbeit ist der Doktorand Zhang Congfu vom Xi'an-Institut für Optik und Feinmechanik, korrespondierender Autor ist Liu Hongjun vom selben Institut.
Der mittlere Infrarotbereich (3–5 μm) ist ein wichtiges atmosphärisches Transmissionsfenster und spielt eine Schlüsselrolle in Bereichen wie Biomedizin und Umweltüberwachung. Die nichtlineare Frequenzaufwärtskonversionstechnologie kann mittelinfrarote Signalsignale, die direkt nur schwer hochempfindlich detektierbar sind, in den nahen Infrarot- oder sichtbaren Wellenlängenbereich umwandeln und ermöglicht dank kompakter, hocheffizienter Siliziumdetektoren eine leistungsfähige Detektion. Sie zählt zu den zentralen technologischen Ansätzen in der mittelinfraroten Detektion. Im Vergleich zu herkömmlichen nichtlinearen optischen Bauelementen können nichtlineare Metasurfaces die Licht-Materie-Wechselwirkung auf subwellenlängenskala deutlich verstärken und damit die strengen Phasenanpassungsbedingungen überwinden. In den letzten Jahren wurden zwar hochwertige nichtlokale Metasurfaces zur Verstärkung nichtlinearer Effekte eingesetzt, doch es blieb schwierig, unter Bedingungen niedriger Schwellenwerte und schwacher Lichtintensität eine effiziente Frequenzaufwärtskonversion mit kontinuierlicher Welle zu erreichen und gleichzeitig eine flexible spektrale Abstimmbarkeit zu gewährleisten. Dies schränkte die praktische Anwendung leistungsfähiger metasurface-basierter mittelinfraroter Detektionstechnologien direkt ein.
Um diese Probleme zu lösen, schlug das Forschungsteam auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat als nichtlinearem optischem Plattformmaterial eine Methode zur nichtlinearen Frequenzaufwärtskonversion vor, die auf der Steuerung quasi-geführter Moden (quasi-guided mode, QGM) beruht (Abbildung 1). Diese Methode führt durch Brillouin-Zonen-Faltung quasi-geführte Modenresonanzen ein und erzeugt über einen breiten Wellenvektorbereich stabile Resonanzmoden mit hohem Gütefaktor. Darüber hinaus wird durch die starke Kopplung zwischen quasi-geführten Moden und geführten Modenresonanzen (guided-mode resonance, GMR) der Modenanpassungsbereich gegenüber einem einzelnen geführten Modenresonanzsystem erweitert, sodass verschiedene Resonanzmoden die nichtlinearen Effekte effektiv verstärken können. In Kombination mit der Resonanzsteuerung über einen breiten Wellenvektorbereich erweitert diese Methode den Abstimmbereich der Frequenzkonversion erheblich und ermöglicht eine gleichzeitige Verbesserung von Konversionseffizienz und spektraler Abstimmbarkeit.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der metasurface-basierten Frequenzaufwärtskonversion (a) Schematische Darstellung der Metasurface-Struktur und des QGM-Prinzips; (b) Lineare und nichtlineare spektrale Eigenschaften der Metasurface
Auf Grundlage der oben genannten Methode baute das Forschungsteam ein mittelinfrarotes Frequenzaufwärtskonversions-Bildgebungssystem auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat auf. Im Experiment wurde erfolgreich eine Summenfrequenz-Aufwärtskonversions-Bildgebung eines mittelinfraroten Signals bei 4,33 μm mit kontinuierlicher Welle und geringer Lichtintensität realisiert (Abbildung 2). Durch die Abstimmung der Wellenlänge der nahinfraroten Pumpe verifizierte das Team die Abstimmbarkeit der Resonanz auf der Pumpseite und deren Einfluss auf den nichtlinearen Konversionsprozess. In Verbindung mit einer Dispersionsanalyse wurde darüber hinaus das Anwendungspotenzial der breitbandig abstimmbaren mittelinfraroten Frequenzkonversions-Bildgebung nachgewiesen.
Abbildung 2 Ergebnisse der metasurface-basierten Frequenzaufwärtskonversions-Bildgebung
Zhang Congfu erläuterte: „Die nichtlineare Metasurface ist nur ein Hundertstel des Durchmessers eines Haares dick; auf einer Fläche von der Größe eines Sesamkorns sind Zehntausende Nanostrukturen integriert. Mithilfe des Resonanzeffekts quasi-geführter Moden lassen wir die Struktur zunächst – ähnlich wie beim Senderwahl eines Radios – nur Licht bestimmter Wellenlängen empfangen und sammeln kontinuierlich die Energie schwachen Lichts. Anschließend bündeln wir diese Energie – ähnlich wie bei einem Signalverstärkerturm – in einer extrem dünnen Schicht und verstärken so die Lichtwirkung. Dadurch kann die Frequenzkonversion, die zuvor leistungsstarke Laser erforderte, nun mit gewöhnlichem schwachem Licht erreicht werden. Dies löst ein großes Problem für Anwendungen wie die Detektion schwacher mittelinfraroter Signale und die nichtinvasive biologische Bildgebung in miniaturisierten Geräten.“
Diese Forschung erweitert die Steuerungsmöglichkeiten nichtlokaler Metasurfaces auf den Bereich der nichtlinearen Frequenzkonversion mit kontinuierlicher Welle. Sie bietet nicht nur einen neuen technologischen Weg für miniaturisierte, kostengünstige und hochempfindliche mittelinfrarote Detektionstechnologien, sondern birgt dank des Potenzials zur On-Chip-Integration auch vielversprechende Anwendungsaussichten in Bereichen wie Gasdetektion, Umweltüberwachung, biomedizinischer Bildgebung und integrierter photonischer Sensorik.
Das Forschungsteam von Prof. Liu Hongjun hat in den letzten Jahren systematische Untersuchungen zu nichtlinearen Metasurface-basierten Mechanismen der Lichtfeldsteuerung und -verstärkung durchgeführt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in Fachzeitschriften wie Laser & Photonics Reviews und Nanoscale Horizons veröffentlicht.