EPFL、中國、西班牙和荷蘭的研究人員建造了一種微型裝置，該裝置利用振動(dòng)的分子將不可見的中紅外光轉(zhuǎn)化為可見光。這一突破可以為熱成像和化學(xué)或生物分析帶來一類新的緊湊型傳感器。

光是一種電磁波：它由在空間傳播的振蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。每個(gè)波的特點(diǎn)是它的頻率，它指的是每秒鐘的振蕩次數(shù)，以赫茲（Hz）衡量。我們的眼睛可以檢測(cè)到400至750萬億赫茲（或太赫茲，THz）之間的頻率，它定義了可見光譜。手機(jī)攝像頭中的光傳感器可以檢測(cè)到低至300太赫茲的頻率，而用于通過光纖連接互聯(lián)網(wǎng)的探測(cè)器對(duì)大約200太赫茲敏感。

在較低的頻率下，光所傳輸?shù)哪芰坎蛔阋杂|發(fā)我們眼睛和許多其他傳感器中的光感受器，這是一個(gè)問題，因?yàn)樵?00太赫茲以下的頻率，即中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜，有豐富的信息可用。例如，一個(gè)表面溫度為20°C的身體會(huì)發(fā)出高達(dá)10太赫茲的紅外光，這可以通過熱成像"看到"。此外，化學(xué)和生物物質(zhì)在中紅外有明顯的吸收帶，這意味著我們可以通過紅外光譜學(xué)遠(yuǎn)程和非破壞性地識(shí)別它們，這有無數(shù)的應(yīng)用。

將紅外線轉(zhuǎn)化為可見光

EPFL、武漢理工大學(xué)、瓦倫西亞理工大學(xué)和荷蘭AMOLF的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種新的方法，通過將紅外光的頻率改變?yōu)榭梢姽獾念l率來探測(cè)紅外光。該裝置可以將常見的高靈敏度的可見光探測(cè)器的"視線"延伸到遠(yuǎn)處的紅外線。這一突破發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

頻率轉(zhuǎn)換并不是一件容易的事。由于能量守恒定律，光的頻率是一個(gè)基本要素，不能輕易通過在表面上反射光或讓光穿過材料來改變。

研究人員繞過了這一點(diǎn)，用一種媒介將能量添加到紅外光中：微小的振動(dòng)分子。紅外線被引向分子，在那里它被轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量。同時(shí)，一束頻率更高的激光照射在相同的分子上，以提供額外的能量并將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為可見光。為了促進(jìn)轉(zhuǎn)換過程，分子被夾在金屬納米結(jié)構(gòu)之間，金屬納米結(jié)構(gòu)作為光學(xué)天線，將紅外光和激光能量集中到分子上。

左上：實(shí)驗(yàn)概念。感興趣的紅外信號(hào)和提供能量的激光被集中在分子上，并與分子的內(nèi)部振動(dòng)相互作用，產(chǎn)生一個(gè)可見頻率的紅外信號(hào)的上轉(zhuǎn)換副本。左下角。樣品的掃描電子顯微照片。這些分子太小無法辨別，它們被夾在一個(gè)金納米槽和一個(gè)金納米粒子之間，它們共同形成了一個(gè)質(zhì)子腔，大大加強(qiáng)了所有信號(hào)對(duì)分子的聚焦。右圖。槽內(nèi)納米粒子質(zhì)子腔的藝術(shù)圖，將不可見的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見光（亮點(diǎn)）。

一種新的光

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的EPFL基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院的Christophe Galland教授說："這個(gè)新裝置有許多吸引人的特點(diǎn)。首先，轉(zhuǎn)換過程是相干的，這意味著原始紅外光中存在的所有信息都被忠實(shí)地映射到新產(chǎn)生的可見光中。這使得高分辨率的紅外光譜學(xué)可以用標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)器來進(jìn)行，比如手機(jī)攝像頭中的那些探測(cè)器。其次，每個(gè)裝置的長度和寬度大約為幾微米，這意味著它可以被納入大型像素陣列中。最后，該方法具有高度的通用性，只需選擇具有不同振動(dòng)模式的分子，就可以適應(yīng)不同的頻率。"

"然而，到目前為止，該設(shè)備的光轉(zhuǎn)換效率仍然很低，"該工作的第一作者陳文博士提醒道。"我們現(xiàn)在正集中精力進(jìn)一步改進(jìn)它"--這是走向商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步。