EPFL、中國、西班牙和荷蘭的研究人員建造了一個微型裝置，該裝置利用振動的分子將不可見的中紅外光轉化為可見光。這一突破可以為熱成像和化學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和磁場組成。每個波的特點是它的頻率，它指的是每秒鐘的振蕩次數，以赫茲（Hz）衡量。我們的眼睛可以檢測到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。手機攝像頭中的光傳感器可以檢測到低至300太赫茲的頻率，而用於通過光纖連接互聯網的探測器對大約200太赫茲敏感。
在較低的頻率下，光所傳輸的能量不足以觸發我們眼睛和許多其他傳感器中的光感受器，這是一個問題，因為在100太赫茲以下的頻率，即中紅外和遠紅外光譜，有豐富的信息可用。例如，一個表面溫度為20°C的身體會發出高達10太赫茲的紅外光，這可以通過熱成像”看到”。此外，化學和生物物質在中紅外有明顯的吸收帶，這意味着我們可以通過紅外光譜學遠程和非破壞性地識別它們，這有無數的應用。
將紅外線轉化為可見光
EPFL、武漢理工大學、瓦倫西亞理工大學和荷蘭AMOLF的科學家們現在已經開發出一種新的方法，通過將紅外光的頻率改變為可見光的頻率來探測紅外光。該裝置可以將常見的高靈敏度的可見光探測器的”視線”延伸到遠處的紅外線。這一突破發表在《科學》雜誌上。
頻率轉換並不是一件容易的事。由於能量守恆定律，光的頻率是一個基本要素，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，用一種媒介將能量添加到紅外光中：微小的振動分子。紅外線被引向分子，在那裡它被轉化為振動能量。同時，一束頻率更高的激光照射在相同的分子上，以提供額外的能量並將振動轉化為可見光。為了促進轉換過程，分子被夾在金屬納米結構之間，金屬納米結構作為光學天線，將紅外光和激光能量集中到分子上。
左上：實驗概念。感興趣的紅外信號和提供能量的激光被集中在分子上，並與分子的內部振動相互作用，產生一個可見頻率的紅外信號的上轉換副本。左下角。樣品的掃描電子顯微照片。這些分子太小無法辨別，它們被夾在一個金納米槽和一個金納米粒子之間，它們共同形成了一個質子腔，大大加強了所有信號對分子的聚焦。右圖。槽內納米粒子質子腔的藝術圖，將不可見的紅外信號轉換成可見光（亮點）。
一種新的光
領導這項研究的EPFL基礎科學學院的Christophe Galland教授說：”這個新裝置有許多吸引人的特點。首先，轉換過程是相干的，這意味着原始紅外光中存在的所有信息都被忠實地映射到新產生的可見光中。這使得高分辨率的紅外光譜學可以用標準的探測器來進行，比如手機攝像頭中的那些探測器。其次，每個裝置的長度和寬度大約為幾微米，這意味着它可以被納入大型像素陣列中。最後，該方法具有高度的通用性，只需選擇具有不同振動模式的分子，就可以適應不同的頻率。”
“然而，到目前為止，該設備的光轉換效率仍然很低，”該工作的第一作者陳文博士提醒道。”我們現在正集中精力進一步改進它”–這是走向商業應用的關鍵一步。