中遠紅外探測:照亮「隱秘的角落」

從紅外線被科學家發現開始，紅外探測技術已經逐漸在各個領域大放光彩。無論是我們隨處可見的感應燈、感應水龍頭，或是軍事上紅外偵察、制導技術。

在使用網絡攝像頭或手機攝像頭時，我們會體驗到過去幾十年來針對可見光波段開發的廉價、緊湊型傳感器的強大功能。相反，探測肉眼不可見的低頻輻射（如中、遠紅外輻射)則需要複雜且昂貴的設備。

由於缺乏緊湊型技術，用於分子識別，以及對人體自然發出的熱輻射進行成像的傳感器還未得到廣泛使用。因此，這一領域的新概念突破可能會對我們的日常生活產生巨大影響。

圖1 紅外探測技術的應用

圖源：EPFL

目前，探測中遠紅外輻射最流行的技術是微測輻射熱計，它是由一排小型溫度計陣列組成，通過測量吸收輻射所產生的熱量。這種探測器有許多局限性，特別是響應速度慢，且無法探測到微弱的輻射信號。

目前，對於中紅外（MIR）、遠紅外（FIR）探測仍有許多局限性，尤其是在室溫下直接探測波長大於2μm的單光子仍是一項嚴峻的技術挑戰。

為了解決這一問題，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Tobias Kippenberg（⏬拓展連結）教授團隊提出一種新型中遠紅外探測技術。這種方法具有高靈敏度的同時，甚至能夠探測到單光子信號。

這種新型紅外探測方法，不同於現有的探測方法和途徑：首先將不可見的紅外低頻輻射轉換成可見光，再利用現有的技術進行探測。在環境條件下對波長超過2μm的電磁波實現單光子直接檢測。這種新方法無需複雜的低溫設備，具有更高靈敏度，低噪聲的特點。

該研究成果以「Molecular platform for frequency upconversion at the single-photon level」為題發表在Physical Review X。

圖2 圖源：Veer 這種新型紅外探測方法，避開了紅外探測諸多現存問題。

具體方法是：其通過將低頻的中、遠紅外輻射轉換到可見-近紅外（VIS-NIR），然後再進行探測。因為可見-近紅外波段高靈敏度的探測器比較容易獲得，所以間接的實現對中、遠紅外波段的探測。 雖然當前利用非線性晶體可以實現從中紅外M到可見光近紅外VIS-NIR波長轉換，但是這需要在幾瓦的泵浦功率下工作，並且需要晶體且滿足相位匹配條件。相反，EPFL團隊的方案僅依賴於兩個入射場的空間重疊。

同時為了確保兩個光束和分子系統之間的最佳重疊，作者提出了雙共振納米天線，其中要檢測的入射場和探測雷射場都與以交叉配置排列的天線組件共振。該平臺還增加了每個場與目標振動模式的相互作用，從而實現了圖3（b）所示的轉換過程。

圖3 (a)變頻器件示意圖 (b)光機轉換機制的頻率圖

圖源：PHYSICAL REVIEW X 10，031057 (2020).(FIG.1)

在該研究中使用腔體光學模型描述了分子振動與等離子天線之間的相互作用。它們的有效相互作用使得在不同光譜區域可以觀察到有效的光機轉換過程。對於足夠低的光泵浦功率，在6THz（T=290 K）時增加的一個量子。這種低噪聲係數有望開發出一種新技術平臺，快速有效對太赫茲檢測。

圖4 IR模式（左）和NIR模式（右），雙天線內部狀態分布圖

圖源：PHYSICAL REVIEW X 10，031057 (2020).(FIG.2)

以上研究表明，這中方案相比傳統方法最大的優勢是探測的靈敏度，在頻率轉換過程中，分子振動所產生的低水平噪聲，可以實現在室溫下檢測極其微弱的信號。同時藉助先進的設備，有望實現量子受限的轉換，並有可以解決紅外單光子探測的問題。

在這項研究基礎上，將推動表面科學、納米技術和量子光學之間的交叉學科的研究進展，促進紅外傳感和成像領域新型設備的發展。