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工程师们弯曲光线以增强波长转换
发布时间:2021-08-18 22:19:03 阅读:215

来源:美国洛杉矶, 加利福尼亚大学;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

InAs晶格与纳米天线阵列接触示意图:纳米天线阵列将入射光弯曲,并将光线牢牢限制在半导体浅表面周围。半导体表面所产生的巨大电场加速了光激发电子,而且将它们通过不同波长的光辐射所获得的额外能量释放出来。
来源:德尼兹•图兰(Deniz Turan)/加州大学洛杉矶分校 (UCLA)

    最近《自然通讯》(Nature Communications)杂志发表了该项研究,其负责人是加州大学洛杉矶分校萨缪里分校(UCLA Samueli)电气与计算机工程莫娜•贾拉希(Mona Jarrahi)教授。

    找到一种有效的方法来转换光的波长,这对于许多成像和传感技术的改进至关重要。例如,将入射光转换为太赫兹波长,可以实现光学中不透明环境的成像与传感。然而,以前的转换框架效率比较低下,需要庞大而复杂的光学设置。

    近来,一个由美国加州大学洛杉矶分校所领导的研究小组已经设计出一种新的解决方案。他们通过探索一种虽然普遍不受欢迎,但被称为半导体表面态的自然现象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结合时,就会出现表面态,从而导致原子结构的破坏。这些不完整的化学键,也称为“悬挂键”,会阻碍电荷流过半导体器件,并影响其性能。

    加州大学洛杉矶分校太赫兹电子实验室的负责人贾拉希教授表示:“人们已经做出了很多努力来抑制半导体器件中表面态的影响,但是大家却没有意识到它们所具有的独特电化学特性,它其实是可以实现前所未有的器件功能。”。

将制作好的纳米天线阵列放置在光纤顶端,用于光到太赫兹波长转换的照片、显微镜和扫描电子显微镜图像。
来源:德尼兹•图兰(Deniz Turan)/加州大学洛杉矶分校

    事实上,由于这些不完整的键在半导体表面会产生一个浅而巨大的内置电场,研究人员决定利用表面态来改进波长的转换。

    入射光可以击中半导体晶格中的电子,并将它们移动到更高的能量状态,此时它们可以在晶格中自由跳跃。在半导体表面产生的电场进一步加速了这些光激发的高能电子,然后这些电子以不同的光波长辐射获得额外的能量,从而转换波长。

    然而,这种能量交换只发生在半导体表面,其效率还有待提高。为了解决这一问题,研究小组采用了一种纳米天线阵列,它可以弯曲入射光,从而将其牢牢地限制在半导体的浅表面周围。

    该研究的主要作者,同时也是贾拉希教授研究实验室的研究人员德尼兹•图兰(Deniz Turan)说:“通过这种新的框架,波长转换很容易进行,而且在入射光穿过该领域时不需要任何额外的能量来源。”图兰最近刚从加州大学洛杉矶分校萨缪利分校(UCLA Samueli)获得了电气工程博士学位。

    研究人员成功且高效地将1550纳米波长的光束转换为光谱中的太赫兹部分,波长范围从100微米到1毫米。该团队通过将新技术整合到内窥镜探头中,展示了波长转换效率,该探头可用于使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突破,就需要100倍的光功率才能达到相同的太赫兹波,而内窥镜检查探头中所使用的薄光纤还无法支持太赫兹波。这一科研进展可应用于电磁光谱其他部分的光学波长转换中,范围从微波延展到远红外波长。

 
 

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