Récemment, l'équipe du chercheur Liu Hongjun du Laboratoire d'Optique Transitoire de l'Institut d'Optique et de Mécanique Fine de Xi'an de l'Académie des Sciences de Chine a réalisé une avancée importante dans le domaine de l'imagerie par conversion ascendante de fréquence non linéaire infrarouge moyenne basée sur des métasurfaces. Les résultats de recherche correspondants ont été publiés dans Laser & Photonics Reviews. Le premier auteur de l'article est Zhang Congfu, doctorant à l'Institut d'Optique et de Mécanique Fine de Xi'an, et l'auteur correspondant est Liu Hongjun de l'Institut d'Optique et de Mécanique Fine de Xi'an.
La bande infrarouge moyenne (3–5 μm), en tant que fenêtre de transmission atmosphérique importante, joue un rôle clé dans des domaines tels que la biomédecine et la surveillance environnementale. La technologie de conversion ascendante de fréquence non linéaire permet de convertir les signaux infrarouges moyens, difficiles à détecter directement avec une sensibilité élevée, vers les bandes proche infrarouge ou visible, en s'appuyant sur des détecteurs à base de silicium compacts et à rendement quantique élevé pour réaliser une détection performante. Il s'agit de l'une des voies technologiques centrales dans le domaine actuel de la détection infrarouge moyenne. Par rapport aux dispositifs optiques non linéaires conventionnels, les métasurfaces non linéaires peuvent considérablement renforcer l'interaction lumière-matière à l'échelle sub-longueur d'onde, permettant ainsi de dépasser les contraintes strictes des conditions d'accord de phase. Ces dernières années, bien que les métasurfaces non locales à facteur de qualité élevé aient été appliquées pour renforcer les effets non linéaires, il reste difficile d'obtenir une conversion ascendante de fréquence continue efficace dans des conditions de faible seuil et de faible luminosité, tout en conservant une capacité de réglage spectral flexible, ce qui limite directement le processus de mise en pratique des technologies de détection infrarouge moyenne basées sur des métasurfaces hautes performances.
Pour résoudre ces problèmes, l'équipe de recherche a utilisé le niobate de lithium en couche mince comme plateforme optique non linéaire et a proposé une méthode de conversion ascendante de fréquence non linéaire basée sur le contrôle des modes quasi-guidés (quasi-guided mode, QGM) (Figure 1). Cette méthode introduit des résonances de modes quasi-guidés par repliement de la zone de Brillouin, construisant des modes de résonance à facteur de qualité élevé et stables sur une large gamme de vecteurs d'onde ; elle exploite en outre l'effet de couplage fort entre les modes quasi-guidés et les résonances de modes guidés (guided-mode resonance, GMR), élargissant ainsi la plage de correspondance modale dans un système de résonance à mode guidé unique, permettant à différents modes de résonance de renforcer efficacement les effets non linéaires. Combinée à la capacité de contrôle de résonance sur une large gamme de vecteurs d'onde, cette méthode élargit considérablement la plage de réglage de la conversion de fréquence, réalisant une amélioration simultanée de l'efficacité de conversion et de la capacité de réglage spectral.
Figure 1 Schéma de la conversion ascendante de fréquence par métasurface (a) Schéma de la structure de la métasurface et du principe QGM ; (b) Caractéristiques spectrales linéaires et non linéaires de la métasurface
Sur la base de la méthode ci-dessus, l'équipe de recherche a construit un système d'imagerie par conversion ascendante de fréquence infrarouge moyenne à base de niobate de lithium en couche mince. Lors des expériences, une imagerie par conversion ascendante de fréquence par somme de fréquences d'un signal infrarouge moyen continu de 4,33 μm à faible intensité lumineuse a été réalisée avec succès (Figure 2). En ajustant la longueur d'onde de pompe proche infrarouge, l'équipe a validé la capacité de contrôle de résonance côté pompe et son influence sur le processus de conversion non linéaire, et a en outre démontré, par analyse de dispersion, le potentiel d'application de l'imagerie par conversion de fréquence infrarouge moyenne accordable sur une large bande.
Figure 2 Résultats de l'imagerie par conversion ascendante de fréquence par métasurface
Zhang Congfu explique : « La métasurface non linéaire n'a qu'un centième du diamètre d'un cheveu en épaisseur, et des dizaines de milliers de nanostructures sont intégrées sur une surface de la taille d'un grain de sésame. En exploitant l'effet de résonance des modes quasi-guidés, nous faisons d'abord en sorte que la structure ne reçoive que la lumière d'une longueur d'onde spécifique, comme pour sélectionner une station de radio, en collectant continuellement l'énergie de la lumière faible ; puis, comme une tour d'amplification de signal, nous concentrons cette énergie dans un film extrêmement mince, amplifiant ainsi l'action de la lumière. De cette manière, la conversion de fréquence qui nécessitait auparavant des lasers puissants peut désormais être réalisée avec une lumière faible ordinaire. Cela résout un problème majeur pour les applications d'équipements miniaturisés tels que la détection de lumière faible infrarouge moyenne et l'imagerie biomédicale non invasive. »
Cette recherche étend la capacité de contrôle des métasurfaces non locales au domaine de la conversion de fréquence non linéaire en onde continue, offrant non seulement une nouvelle voie technologique pour les technologies de détection infrarouge moyenne miniaturisées, à faible coût et à haute sensibilité, mais aussi, grâce au potentiel d'intégration sur puce de cette technologie, de vastes perspectives d'application dans des scénarios tels que la détection de gaz, la surveillance environnementale, l'imagerie biomédicale et la détection photonique intégrée.
L'équipe du chercheur Liu Hongjun mène ces dernières années des recherches systématiques sur les mécanismes de contrôle et de renforcement des champs optiques par métasurfaces non linéaires, et les résultats correspondants ont été publiés dans des revues telles que Laser & Photonics Reviews et Nanoscale Horizons.