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加州大学开发光波长转换新方法,可用于传感和成像应用

更新时间:2021-08-10 10:15:22人气:57

据麦姆斯咨询报道,加州大学洛杉矶分校(UCLA)萨缪利工程学院的科学家开发出了一种更高效的光波长转换方法,据称有望为成像、传感和通信系统的性能改善打开新大门。加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院的电气和计算机工程教授Mona Jarrahi领导了这项研究,该研究成果已于上周在Nature Communications发表。

找到一种有效的方法来转换光的波长,对于许多成像和传感技术的开发至关重要。例如,将入射光转换为太赫兹波,可以实现对光学不透明环境的成像和传感。然而,此前开发的光波长转换框架效率很低,并且需要庞大而复杂的光学装置。

半导体表面态

UCLA领导的研究小组设计出了一种新解决方案,他们通过探索一种通常不受欢迎但却是自然现象的半导体表面态,来提高光波长转换效率。

在半导体材料中,表面总会有边界的存在。而在边界处,由于外部已经没有原子与表面硅原子结合,所以处在表面的硅原子会有未配对的电子存在,即有未饱和的键,被称为悬挂键。这些不完整的悬挂键,会阻碍电荷流过半导体器件并影响其性能。

UCLA太赫兹电子实验室负责人Jarrahi说:“一直以来,业界付出了很多努力来抑制半导体器件中表面态的影响,但是并没有意识到它们具有的独特电化学特性,可以实现前所未有的器件功能。”

光波长转换

事实上,这些不完整的悬挂键在半导体表面产生了一个浅而巨大的内在电场,研究人员决定利用表面态来改善光的波长转换。

入射光击中半导体晶格中的电子,并将它们迁移到更高的能态,此时它们可以在晶格中自由跃迁。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所获得的额外能量,从而实现光波长转换。

不过,这种能量交换只能发生在半导体表面。为了解决这个问题,研究小组采用了一种可以弯曲入射光的纳米天线阵列,从而将其限制在半导体的浅表面周围。

该研究的主要作者、Jarrahi研究实验室成员Deniz Turan说:“通过这种新的框架,光波长转换变得很容易进行,而且不需要任何额外的能量源。”Deniz Turan最近从UCLA获得了电气工程博士学位。

研究人员成功且高效地将1550纳米波长的光转换为波长范围从100微米到1毫米的太赫兹波。该团队通过将这项新技术整合到内窥镜探头中,验证了波长转换效率,该探头可以利用太赫兹波进行详细的体内成像和光谱分析。

如果没有新的光波长转换框架,需要100倍的光功率才能达到相同的太赫兹波成像效果,而内窥镜探头中使用的薄光纤无法支持这种功率。这项突破还可以应用于从微波到远红外波长的电磁光谱波长转换。

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