加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆理工程學(xué)院的電氣工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種更有效的將光從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的方法，這為改善成像、傳感和通信系統(tǒng)的性能打開了大門。

加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆理分校電氣和計(jì)算機(jī)工程教授莫娜·賈拉負(fù)責(zé)了這一在《自然通訊》雜志發(fā)表的研究工作。

找到一種有效的方法來轉(zhuǎn)換光的波長(zhǎng)，對(duì)改善許多成像和傳感技術(shù)至關(guān)重要。例如，將入射光線轉(zhuǎn)換為太赫茲波長(zhǎng)可以在光學(xué)不透明的環(huán)境中進(jìn)行成像和感應(yīng)。然而，以前的轉(zhuǎn)換框架效率低下，并且需要笨重和復(fù)雜的光學(xué)設(shè)置。

加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種解決方案，通過探索一種通常不受歡迎但卻基于自然的現(xiàn)象：半導(dǎo)體表面狀態(tài)來提高波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)表面原子沒有足夠數(shù)量的其他原子與之結(jié)合時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)表面狀態(tài)，導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)的破壞。這些不完整的化學(xué)鍵，也被稱為 "懸空鍵"，對(duì)流經(jīng)半導(dǎo)體設(shè)備的電荷造成障礙，并影響其性能。人們一直在努力抑制半導(dǎo)體設(shè)備中表面狀態(tài)的影響，卻沒有意識(shí)到它們具有獨(dú)特的電化學(xué)特性，可以實(shí)現(xiàn)前所未有的設(shè)備功能。

放置在光纖頂端的制造的納米天線陣列的照片、顯微鏡和掃描電子顯微鏡圖像，用于光學(xué)到太赫茲波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換。

事實(shí)上，由于這些不完整的鍵在半導(dǎo)體表面形成了一個(gè)淺而巨大的內(nèi)置電場(chǎng)，研究人員決定利用表面狀態(tài)來改善波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

入射光線可以擊中半導(dǎo)體晶格中的電子，并將它們移動(dòng)到一個(gè)更高的能量狀態(tài)，此時(shí)它們可以在晶格內(nèi)自由跳躍。在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)一步加速了這些被光激發(fā)的高能電子，然后它們通過在不同的光學(xué)波長(zhǎng)上輻射來釋放它們獲得的額外能量，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

然而，這種能量交換只能發(fā)生在半導(dǎo)體的表面，效率不高，為了解決這個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)加入了一個(gè)納米天線陣列，它可以彎曲進(jìn)入的光線，使其被緊緊地限制在半導(dǎo)體的淺表面周圍。通過這個(gè)新框架，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換很容易發(fā)生，而且在入射光線穿過該領(lǐng)域時(shí)可以沒有任何附加能源的支持。

研究人員成功并有效地將1550納米波長(zhǎng)的光束轉(zhuǎn)換為光譜的太赫茲部分，波長(zhǎng)從100微米到1毫米不等。該小組通過將新技術(shù)納入一個(gè)內(nèi)窺鏡探頭來證明波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的效率，該探頭可用于利用太赫茲波進(jìn)行詳細(xì)的體內(nèi)成像和光譜分析。

如果沒有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方面的這一突破，就需要100倍的光功率水平來實(shí)現(xiàn)同樣的太赫茲波，而內(nèi)窺鏡探頭中使用的細(xì)光纖無法支持。這一進(jìn)展可適用于電磁波譜其他部分的光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，從微波到遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)。

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