從紅外線被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，紅外探測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸在各個(gè)領(lǐng)域大放光彩。無(wú)論是我們隨處可見(jiàn)的感應(yīng)燈、感應(yīng)水龍頭，或是軍事上紅外偵察、制導(dǎo)技術(shù)。
在使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭或手機(jī)攝像頭時(shí)，我們會(huì)體驗(yàn)到過(guò)去幾十年來(lái)針對(duì)可見(jiàn)光波段開(kāi)發(fā)的廉價(jià)、緊湊型傳感器的強(qiáng)大功能。相反，探測(cè)肉眼不可見(jiàn)的低頻輻射（如中、遠(yuǎn)紅外輻射)則需要復(fù)雜且昂貴的設(shè)備。
由于缺乏緊湊型技術(shù)，用于分子識(shí)別，以及對(duì)人體自然發(fā)出的熱輻射進(jìn)行成像的傳感器還未得到廣泛使用。因此，這一領(lǐng)域的新概念突破可能會(huì)對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生巨大影響。

圖1紅外探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用圖源：EPFL 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)。 目前，對(duì)于中紅外（MIR）、遠(yuǎn)紅外（FIR）探測(cè)仍有許多局限性，尤其是在室溫下直接探測(cè)波長(zhǎng)大于2μm的單光子仍是一項(xiàng)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為了解決這一問(wèn)題，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Tobias Kippenberg（拓展鏈接）教授團(tuán)隊(duì)提出一種新型中遠(yuǎn)紅外探測(cè)技術(shù)。這種方法具有高靈敏度的同時(shí)，甚至能夠探測(cè)到單光子信號(hào)。

這種新型紅外探測(cè)方法，不同于現(xiàn)有的探測(cè)方法和途徑：首先將不可見(jiàn)的紅外低頻輻射轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，再利用現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。在環(huán)境條件下對(duì)波長(zhǎng)超過(guò)2μm的電磁波實(shí)現(xiàn)單光子直接檢測(cè)。這種新方法無(wú)需復(fù)雜的低溫設(shè)備，具有更高靈敏度，低噪聲的特點(diǎn)。

該研究成果以“Molecular platform for frequency upconversion at the single-photon level”為題發(fā)表在Physical Review X。

圖2 圖源：Veer 這種新型紅外探測(cè)方法，避開(kāi)了紅外探測(cè)諸多現(xiàn)存問(wèn)題。具體方法是：其通過(guò)將低頻的中、遠(yuǎn)紅外輻射轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)-近紅外（VIS-NIR），然后再進(jìn)行探測(cè)。因?yàn)榭梢?jiàn)-近紅外波段高靈敏度的探測(cè)器比較容易獲得，所以間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)中、遠(yuǎn)紅外波段的探測(cè)。 雖然當(dāng)前利用非線性晶體可以實(shí)現(xiàn)從中紅外M到可見(jiàn)光近紅外VIS-NIR波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，但是這需要在幾瓦的泵浦功率下工作，并且需要晶體且滿足相位匹配條件。相反，EPFL團(tuán)隊(duì)的方案僅依賴(lài)于兩個(gè)入射場(chǎng)的空間重疊。 同時(shí)為了確保兩個(gè)光束和分子系統(tǒng)之間的最佳重疊，作者提出了雙共振納米天線，其中要檢測(cè)的入射場(chǎng)和探測(cè)激光場(chǎng)都與以交叉配置排列的天線組件共振。該平臺(tái)還增加了每個(gè)場(chǎng)與目標(biāo)振動(dòng)模式的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了圖3（b）所示的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖3 (a)變頻器件示意圖 (b)光機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)制的頻率圖圖源：PHYSICAL REVIEW X 10，031057 (2020).(FIG.1) 在該研究中使用腔體光學(xué)模型描述了分子振動(dòng)與等離子天線之間的相互作用。它們的有效相互作用使得在不同光譜區(qū)域可以觀察到有效的光機(jī)轉(zhuǎn)換過(guò)程。對(duì)于足夠低的光泵浦功率，在6THz（T=290 K）時(shí)增加的一個(gè)量子。這種低噪聲系數(shù)有望開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)平臺(tái)，快速有效對(duì)太赫茲?rùn)z測(cè)。

圖4 IR模式（左）和NIR模式（右），雙天線內(nèi)部狀態(tài)分布圖 圖源：PHYSICAL REVIEW X 10，031057 (2020).(FIG.2) 以上研究表明，這中方案相比傳統(tǒng)方法最大的優(yōu)勢(shì)是探測(cè)的靈敏度，在頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中，分子振動(dòng)所產(chǎn)生的低水平噪聲，可以實(shí)現(xiàn)在室溫下檢測(cè)極其微弱的信號(hào)。同時(shí)借助先進(jìn)的設(shè)備，有望實(shí)現(xiàn)量子受限的轉(zhuǎn)換，并有可以解決紅外單光子探測(cè)的問(wèn)題。 在這項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，將推動(dòng)表面科學(xué)、納米技術(shù)和量子光學(xué)之間的交叉學(xué)科的研究進(jìn)展，促進(jìn)紅外傳感和成像領(lǐng)域新型設(shè)備的發(fā)展。

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