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工程师弯曲光以增强波长转换,将光从一种波长转换为另一种波长,为改进成像、传感和通信系统的性能打开了大门,中国机械网,okmao.com
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工程师弯曲光以增强波长转换,将光从一种波长转换为另一种波长,为改进成像、传感和通信系统的性能打开了大门
2021年08月10日    阅读量:1190    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

加州大学洛杉矶分校 Samueli 工程学院的电气工程师开发了一种将光从一种波长转换为另一种波长的更有效方法,为改进成像、传感和通信系统的性能打开了大门。


加州大学洛杉矶分校 Samueli 的电气和计算机工程教授 Mona Jarrahi 领导了Nature Communications发表的研究。


找到一种转换光波长的有效方法对于改进许多成像和传感技术至关重要中国机械网okmao.com。例如,将入射光转换为太赫兹波长可以在光学不透明环境中进行成像和传感。然而,以前的转换框架效率低下,需要庞大而复杂的光学设置。


加州大学洛杉矶分校领导的团队设计了一种解决方案,通过探索一种称为半导体表面态的普遍不受欢迎但自然的现象来提高波长转换效率。


当表面原子没有足够数量的其他原子可以结合时,就会出现表面状态,从而导致原子结构的破坏。这些不完整的化学键,也称为“悬空键”,会阻碍电荷流过半导体器件并影响其性能。


加州大学洛杉矶分校太赫兹电子实验室负责人 Jarrahi 说:“已经有很多努力来抑制半导体器件中表面态的影响,却没有意识到它们具有独特的电化学特性,可以实现前所未有的器件功能。”


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事实上,由于这些不完整的键在半导体表面产生了一个浅而巨大的内置电场,研究人员决定利用表面状态来改善波长转换。


入射光可以撞击半导体晶格中的电子并将它们移动到更高的能量状态,此时它们可以在晶格内自由跳跃。在半导体表面产生的电场进一步加速这些光激发的高能电子,然后卸载它们通过以不同的光波长辐射而获得的额外能量,从而转换波长。


然而,这种能量交换只能发生在半导体表面,需要更加高效。为了解决这个问题,该团队采用了一个纳米天线阵列,可以弯曲入射光,使其紧紧地限制在半导体的浅表面周围。


“通过这个新框架,当入射光穿过场时,波长转换很容易发生,不需要任何额外的能量来源,”该研究的主要作者、Jarrahi 研究实验室的成员 Deniz Turan 说,他最近获得了电气博士学位。加州大学洛杉矶分校 Samueli 的工程。


研究人员成功且高效地将 1,550 纳米波长的光束转换为光谱的太赫兹部分,波长范围从 100 微米到 1 毫米。该团队通过将新技术整合到内窥镜探头中来证明波长转换效率,该探头可用于使用太赫兹波进行详细的体内成像和光谱分析。


如果没有波长转换方面的这一突破,则需要 100 倍的光功率水平才能实现相同的太赫兹波,而内窥镜探头中使用的细光纤无法支持这一点。这一进步可以应用于电磁波谱其他部分的光波长转换,从微波到远红外波长。


Jarrahi 研究小组的另外两名成员 Ping Keng Lu 和 Nezih Yardimci 是该研究的合著者。其他合著者来自德国达姆施塔特技术大学和爱荷华州立大学附属的美国能源部 (DOE) 实验室艾姆斯实验室。


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