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神奇!科学家开发新型分子装置,可将红外光变成可见光

前瞻网    2021-12-05 20:00

 

神奇!科学家开发新型分子装置,可将红外光变成可见光_产经_前瞻经济学人

光是一种电磁波:它由在空间中传播的振荡电场和磁场组成。每个波都以其频率为特征,频率是指每秒振荡的次数,以赫兹(Hz)为单位。人类肉眼可以检测到400到750万亿赫兹(或太赫兹,THz)之间的频率,这些频率定义了可见光谱。手机摄像头中的光传感器,可以检测低至300THz的频率,而用于通过光纤连接互联网的检测器,对大约200THz的频率敏感。

在较低的频率下,光所传输的能量,不足以触发我们肉眼以及许多其他传感器中的光感受器。但是,在100太赫兹以下的频率,即中红外和远红外光谱中,有丰富的信息。例如,一个表面温度为20°C的身体会发出高达10太赫兹的红外光,这可以通过热成像捕捉。此外,化学和生物物质在中红外有明显的吸收带,这意味着我们可以通过红外光谱学进行远程、非破坏性地识别它们,红外光谱具有无数的应用。

近日,国际科学家小组开发出一种新方法,通过将频率改变为可见光频率来检测红外光。该设备可以将常见的高灵敏度可见光探测器“视野”扩展到远红外线。

变频并不是一件容易的事。由于能量守恒定律,光的频率是基本特征,不能通过将光反射到表面或穿过材料而轻易改变。

研究人员通过使用介质,向红外光添加能量来解决这个问题:微小的振动分子。红外光被引导到分子,在那里它被转换成振动能量。同时,更高频率的激光束撞击相同的分子,以提供额外的能量,并将振动转化为可见光。为了促进转换过程,分子被夹在金属纳米结构之间,金属纳米结构通过将红外光和激光能量集中在分子上而充当光学天线。

研究人员表示,这个新设备具有许多吸引人的功能。首先,其转换过程是连贯的,这意味着原始红外光中存在的所有信息,都能忠实地映射到新创建的可见光上。还可以使用标准探测器(如手机摄像头中的探测器)进行高分辨率红外光谱分析。

其次,每个设备的长度和宽度约为几微米,这意味着它可以合并到大型像素阵列中。最后,该方法具有很强的通用性,可以通过简单选择具有不同振动模式的分子来适应不同的频率。

但是,到目前为止,该设备的光转换效率仍然很低。研究人员称现在正在集中精力进一步改进它。

题为Continuous-wave frequency upconversion with a molecular optomechanical nanocavity的相关研究论文发表在《科学》上。

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责任编辑: 4150ZYN

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