新2D材料將紅外線光變成可見光

編譯／高晟鈞

人眼只能看到特定頻率（稱為可見光譜）的光，其中最低的頻率構成紅光。我們看不見的紅外線的頻率比紅光還要低。印度科學研究所（IISc）的研究人員現已製造出一種裝置，可以將短紅外光的頻率增加或「升頻轉換」（Up-Convert）到可見光範圍。

紅外線成像的瓶頸

紅外線成像與感測，從天文、化學乃至醫療與國防領域都有著重要影響，包括我們時常聽到的熱像儀、夜視鏡，抑或是醫學熱成像儀和觀測天體的紅外線望遠鏡等。

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傳統的紅外線成像使用特殊的低能隙半導體或微測輻射熱計陣列，從觀測物體中獲取熱量或吸收特徵，來對物體進行成像。一般來說，使用可見光比較難實現這種感測。

然而，現有的紅外線感測器體積依舊偏大且效率不高。另外，由於其在國防方面的用途，它們也受到出口限制，因此迫切需要開發本土高效率的設備。

特殊的升頻轉換技術

研究團隊透過堆疊三種不同的2D材料（由下到上為玻璃基板、金、二氧化矽和多層硒化鎵），並將輸入的紅外線訊號與泵浦光束一起饋送到多層2D反射鏡上，使輸出光束的頻率增加完成升頻轉換，並保留其餘特性。

使用這種方法，他們能夠將波長約為1550 nm的紅外線光上轉換為622 nm的可見光，可以使用傳統的矽基相機檢測輸出光波。此外，研究團隊還發現，從1,400nm到1,700nm的波長範圍內，性能都並無下降。

硒化鎵

由於輸出光束的可以保留輸入時的特性，這意味著，如果在輸入紅外線頻率中印上特定的圖案，它會自動轉移到新的輸出頻率。而一切的關鍵就在於「硒化鎵」上。硒化鎵具高非線性光學特性，可以使紅外光和泵浦光束的單光子結合，產生具有上轉換頻率的單光子。

即使使用厚度僅45 nm的薄層硒化鎵，團隊也能夠實現升頻轉換，小尺寸比使用厘米級晶體的傳統設備更具成本效益，其性能也可與目前最先進的上轉換成像系統相媲美。根據厚度的不同，可以穿過硒化鎵並進行升頻轉換的波長也會有所不同，這意味著研究團隊僅需要根據應用需求，調整材料厚度即可。

展望未來，研究人員計劃將他們的工作擴展到對更長波長的光進行上轉換，同時試圖透過探索其他堆疊幾何形狀來提高設備的效率。

資料來源:Phys.org

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