Recientemente, el equipo del investigador Liu Hongjun del Laboratorio de Óptica Transitoria del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Xi'an de la Academia China de Ciencias ha logrado importantes avances en el campo de las imágenes de conversión ascendente de frecuencia no lineal infrarroja media basadas en metasuperficies. Los resultados de la investigación han sido publicados en Laser & Photonics Reviews. El primer autor del artículo es Zhang Congfu, estudiante de doctorado del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Xi'an, y el autor de correspondencia es Liu Hongjun del mismo instituto.
La banda del infrarrojo medio (3–5 μm), como una importante ventana de transmisión atmosférica, desempeña un papel clave en campos como la biomedicina y la monitorización ambiental. La tecnología de conversión ascendente de frecuencia no lineal puede convertir señales de luz infrarroja media, difíciles de detectar directamente con alta sensibilidad, a la banda del infrarrojo cercano o de la luz visible, logrando una detección de alto rendimiento mediante detectores de silicio de pequeño tamaño y alta eficiencia cuántica. Esta es una de las rutas tecnológicas centrales en el campo de la detección infrarroja media. En comparación con los dispositivos ópticos no lineales tradicionales, las metasuperficies no lineales pueden mejorar significativamente la interacción luz-materia a escala sublongitud de onda, superando así las estrictas condiciones de coincidencia de fases. En los últimos años, aunque las metasuperficies no locales de alto factor de calidad se han aplicado para mejorar los efectos no lineales, resulta difícil lograr una conversión ascendente de frecuencia continua eficiente en condiciones de baja potencia umbral y luz débil, al tiempo que se mantiene una capacidad flexible de regulación espectral. Esto limita directamente el proceso de aplicación práctica de la tecnología de detección infrarroja media de alto rendimiento basada en metasuperficies.
Para abordar los problemas mencionados, el equipo de investigación, utilizando niobato de litio en película delgada como plataforma óptica no lineal, propuso un método de conversión ascendente de frecuencia no lineal basado en la regulación de modos cuasi-guiados (quasi-guided mode, QGM) (Figura 1). Este método introduce resonancias de modos cuasi-guiados mediante el plegado de la zona de Brillouin, construyendo modos resonantes estables de alto factor de calidad en un amplio rango de vectores de onda. Además, aprovechando el fuerte acoplamiento entre los modos cuasi-guiados y las resonancias de modos guiados (guided-mode resonance, GMR), se amplía el rango de coincidencia de modos en un sistema de resonancia de modos guiados único, permitiendo que diferentes modos resonantes mejoren eficazmente los efectos no lineales. Combinado con la capacidad de regulación resonante en un amplio rango de vectores de onda, este método amplía significativamente el rango de sintonización de la conversión de frecuencia, logrando una mejora simultánea de la eficiencia de conversión y la sintonizabilidad espectral.
Figura 1 Diagrama esquemático de la conversión ascendente de frecuencia en metasuperficies (a) Diagrama esquemático de la estructura de la metasuperficie y el principio QGM; (b) Características espectrales lineales y no lineales de la metasuperficie
Basándose en el método mencionado, el equipo de investigación construyó un sistema de imágenes de conversión ascendente de frecuencia infrarroja media en niobato de litio en película delgada. En los experimentos, se logró con éxito la imagen de conversión ascendente por suma de frecuencias de una señal infrarroja media de 4.33 μm en onda continua de baja intensidad (Figura 2). Al ajustar la longitud de onda de bombeo del infrarrojo cercano, el equipo verificó la capacidad de regulación resonante del lado de bombeo y su influencia en el proceso de conversión no lineal. Junto con el análisis de dispersión, se demostró además el potencial de aplicación de las imágenes de conversión de frecuencia infrarroja media sintonizables en banda ancha.
Figura 2 Resultados de imágenes de conversión ascendente de frecuencia en metasuperficies
Zhang Congfu explicó: "El espesor de la metasuperficie no lineal es solo una centésima parte del diámetro de un cabello humano, y en un área del tamaño de una semilla de sésamo se integran decenas de miles de nanoestructuras. Utilizando el efecto de resonancia de modos cuasi-guiados, primero, como si sintonizáramos una radio, hacemos que la estructura solo reciba luz de longitudes de onda específicas, acumulando continuamente la energía de la luz débil; luego, como una torre de amplificación de señales, concentramos esta energía en una película extremadamente delgada, amplificando el efecto de la luz. De esta manera, la conversión de frecuencia que originalmente requería láseres potentes de alta intensidad ahora puede completarse con luz débil ordinaria. Esto resuelve un gran problema para aplicaciones de dispositivos miniaturizados como la detección de luz débil infrarroja media y la imagen biomédica no invasiva."
Esta investigación extiende la capacidad de regulación de las metasuperficies no locales al campo de la conversión de frecuencia no lineal en onda continua, proporcionando no solo una nueva ruta tecnológica para la detección infrarroja media miniaturizada, de bajo costo y alta sensibilidad, sino que también, gracias al potencial de integración en chip de esta tecnología, muestra amplias perspectivas de aplicación en escenarios como la detección de gases, la monitorización ambiental, la imagen biomédica y la detección fotónica integrada.
El equipo del investigador Liu Hongjun ha llevado a cabo en los últimos años investigaciones sistemáticas sobre los mecanismos de regulación y mejora del campo de luz en metasuperficies no lineales. Los resultados relevantes han sido publicados en revistas como Laser & Photonics Reviews y Nanoscale Horizons.