加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院的電氣工程師們已經開發出一種更有效的將光從一個波長轉換到另一個波長的方法，這為改善成像、傳感和通信系統的性能打開了大門。電氣和計算機工程教授Mona Jarrahi領導了這一在《自然通訊》雜誌發表的研究工作。
找到一種有效的方法來轉換光的波長，對改善許多成像和傳感技術至關重要。例如，將入射光線轉換為太赫茲波長可以在光學不透明的環境中進行成像和感應。然而，以前的轉換框架效率低下，並且需要笨重和複雜的光學設置。
加州大學洛杉磯分校領導的團隊已經設計出一種解決方案，通過探索一種通常不受歡迎但卻基於自然的現象：半導體表面狀態來提高波長轉換效率。當表面原子沒有足夠數量的其他原子與之結合時，就會出現表面狀態，導致原子結構的破壞。這些不完整的化學鍵，也被稱為 “懸空鍵”，對流經半導體設備的電荷造成障礙，並影響其性能。人們一直在努力抑制半導體設備中表面狀態的影響，卻沒有意識到它們具有獨特的電化學特性，可以實現前所未有的設備功能。
放置在光纖頂端的製造的納米天線陣列的照片、顯微鏡和掃描電子顯微鏡圖像，用於光學到太赫茲波長的轉換。資料來源：Deniz Turan/UCLA
事實上，由於這些不完整的鍵在半導體表面形成了一個淺而巨大的內置電場，研究人員決定利用表面狀態來改善波長轉換。
入射光線可以擊中半導體晶格中的電子，並將它們移動到一個更高的能量狀態，此時它們可以在晶格內自由跳躍。在半導體表面產生的電場進一步加速了這些被光激發的高能電子，然後它們通過在不同的光學波長上輻射來釋放它們獲得的額外能量，從而實現波長轉換。
然而，這種能量交換隻能發生在半導體的表面，效率不高，為了解決這個問題，該團隊加入了一個納米天線陣列，它可以彎曲進入的光線，使其被緊緊地限制在半導體的淺表面周圍。通過這個新框架，波長轉換很容易發生，而且在入射光線穿過該領域時可以沒有任何附加能源的支持。
研究人員成功並有效地將1550納米波長的光束轉換為光譜的太赫茲部分，波長從100微米到1毫米不等。該小組通過將新技術納入一個內窺鏡探頭來證明波長轉換的效率，該探頭可用於利用太赫茲波進行詳細的體內成像和光譜分析。
如果沒有波長轉換方面的這一突破，就需要100倍的光功率水平來實現同樣的太赫茲波，而內窺鏡探頭中使用的細光纖無法支持。這一進展可適用於電磁波譜其他部分的光學波長轉換，從微波到遠紅外波長。