DOI: https://doi.org/10.29026/oea.2026.250257
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Tingting Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات المواد الميتامادية والأسطح الميتامادية
نظرة عامة
تظهر هذه البحث استخدام الميتاسطح غير الخطية من السيليكون لتصوير التحويل غير الخطي للأشعة تحت الحمراء بكفاءة عالية، مع معالجة قيود الكواشف التقليدية للأشعة تحت الحمراء. من خلال كسر التناظر في المستوى في اتجاه واحد، تدعم الميتاسطح حالات شبه مقيدة عالية الجودة في الرنين المستمر (quasi-BIC)، مما يعزز بشكل كبير توليد التوافقيات الثالثة (THG) بكفاءة تحويل تبلغ $3 \times 10^{-5}$ عند كثافة ضخ تبلغ $10 \, \text{GW/cm}^2$. يسمح هذا النهج المبتكر بتحويل الصور تحت الحمراء العشوائية إلى الطيف المرئي بكسل بكسل، محققًا دقة مكانية تبلغ حوالي $6 \, \mu m$، كما تم التحقق منها من خلال أهداف دقة قياسية وأنماط مخصصة.
تؤسس النتائج نموذجًا جديدًا لتصميم الميتاسطح غير الخطية الفعالة، مما يوفر منصة قابلة للتوسع وعملية لتصوير الأشعة تحت الحمراء مع تقليل تعقيد النظام. علاوة على ذلك، يمكن توسيع مبدأ كسر التناظر المنضبط لتعزيز عمليات غير خطية أخرى، مثل توليد التوافقيات الثانية وتوليد التوافقيات العالية. تشير الإمكانية للتكامل مع المواد ثنائية الأبعاد ومواد فان دير وال، بالإضافة إلى المواد الكهروضوئية، إلى طرق لتطوير أنظمة تصوير غير خطية قابلة لإعادة التكوين ديناميكيًا.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الإمكانيات الكبيرة لتصوير الأشعة تحت الحمراء (IR) عبر تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الرؤية الليلية والتشخيصات الطبية الحيوية. ومع ذلك، تواجه الكواشف التقليدية للأشعة تحت الحمراء تحديات مثل الحساسية المنخفضة، والتكاليف العالية، والحاجة إلى التبريد بالتبريد. لمعالجة هذه القيود، ظهر تصوير التحويل غير الخطي للتردد كحل واعد، محولًا ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى الطيف المرئي حيث يمكن للكواشف القائمة على السيليكون العمل بفعالية. لقد جذبت التطورات الأخيرة في التصوير غير الخطي باستخدام الميتاسطح النانوية فائقة الرقة الانتباه بسبب قدرتها على التحكم في الضوء على النانو، مما يعزز السيطرة على خصائص بصرية متنوعة.
تسلط الورقة الضوء على الانتقال من تقنيات تشكيل واجهة الموجات التقليدية إلى تصوير التحويل المباشر باستخدام الميتاسطح الرنانة، والتي تحسن بشكل كبير كفاءة التحويل غير الخطي من خلال تعزيز المجال الكهرومغناطيسي المحلي. تبسط هذه الطريقة عملية التصميم وتخفف من التحديات التصنيعية المرتبطة بالأنظمة المعقدة المشفرة بواجهة الموجات. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا يستخدم ميتاسطح السيليكون عالية الجودة، مستفيدين من حالات شبه مقيدة في المستمر (quasi-BICs) لتحقيق توليد التوافقيات الثالثة (THG) المحسن لتصوير الأشعة تحت الحمراء بكفاءة. يبلغون عن كفاءة تحويل مطلقة تبلغ $3 \times 10^{-5}$ تحت كثافة ضخ تبلغ $10 \, \text{GW/cm}^2$، مما يوضح قدرة ميتاسطحهم المصممة على تحويل الصور تحت الحمراء بكفاءة إلى النطاق المرئي مع الحفاظ على جودة الصورة العالية. تؤكد هذه العمل على إمكانيات الميتاسطح غير الخطية من السيليكون في تقدم تقنيات تصوير الأشعة تحت الحمراء.
النتائج
يقدم قسم النتائج تصميم وتحليل ميتاسطح غير خطية تهدف إلى تصوير التحويل غير الخطي للأشعة تحت الحمراء (IR)، باستخدام توليد التوافقيات الثالثة (THG) لتحويل إشارات الأشعة تحت الحمراء إلى الطيف المرئي. تم بناء الميتاسطح من أقراص نانوية من السيليكون، وتحديدًا زوج من الأشكال البيضاوية الدائرية، مع أبعاد محددة وترتيبات دورية على ركيزة زجاجية. يسهل إدخال عدم التماثل الهيكلي من خلال المحور الأصغر للقرص البيضاوي تحويل حالة مقيدة حقيقية في المستمر (BIC) إلى رنين شبه BIC عالي الجودة، مما يمكّن قنوات إشعاعية منضبطة لتعزيز تفاعلات الضوء والمادة.
تكشف التحليلات النظرية والعددية أن تغيير المحور الأصغر للقرص النانوي البيضاوي يؤثر على التردد الذاتي وفقدان الإشعاع للأوضاع الرنانة. في الحالة التي يكون فيها المحور الأصغر مساوياً لنصف القطر، تدعم الميتاسطح BIC حقيقية مفصولة عن الفضاء الحر، تتميز بتناسق متساوي في توزيع المجال المغناطيسي. ومع ذلك، مع تعديل المحور الأصغر، ينتقل النظام إلى حالة شبه BIC مع زيادة فقدان الإشعاع، كما يتضح من اتساع عرض الرنين وتحول اللون الأزرق في طول موجة الرنين. يتوافق هذا السلوك مع تحليل الوضع الذاتي، مما يشير إلى أن عامل Q لحالة شبه BIC ينخفض مع زيادة عدم التماثل، مما يبرز الإمكانية لتحسين تصميمات الميتاسطح لتطبيقات بصرية غير خطية محسنة.
المناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تصنيع وتوصيف الحالات شبه المقيدة في المستمر (quasi-BIC) للميتاسطح، مع التأكيد على إمكانياتها لتطبيقات بصرية غير خطية محسنة. تم تصنيع الميتاسطح على ركيزة من السيليكون على العازل (SOI) باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية وحفر البلازما المتصلة بالحث، مما أدى إلى عينات ذات محاور أصغر تتراوح من 120 نانومتر إلى 180 نانومتر. كشفت قياسات الانعكاس الخطي أنه مع اقتراب المحور الأصغر من نصف قطر الهيكل، يزداد عامل الجودة (Q-factor) بشكل كبير، ليصل إلى قيم تصل إلى حوالي 4000، وهو ما يتوافق مع تحسين احتجاز المجال الكهربائي وتقليل فقدان الإشعاع. يؤكد هذا السلوك الطبيعة المحمية بالتناظر للرنين شبه BIC.
بعد ذلك، بحث المؤلفون في الاستجابة البصرية غير الخطية، وتحديدًا توليد التوافقيات الثالثة (THG)، باستخدام ليزر فمتوثانية. وُجد أن كفاءة التحويل العادية لتوليد التوافقيات الثالثة (THG) تزداد مع اقتراب المحور الأصغر من نصف القطر، وهو ما يتماشى مع الاتجاهات الملحوظة لعامل الجودة. ومع ذلك، لوحظ تأثير تشبع عند قوى ضخ أعلى، يُعزى إلى عدم تطابق الطيف بين عرض نطاق الرنين وعرض نبضة الليزر. كانت إشارة THG من الميتاسطح شبه BIC أكبر بأكثر من 650 مرة من تلك الناتجة عن فيلم مسطح، مما يوضح فعالية الحقول المحلية في تعزيز العمليات غير الخطية. كما عرض المؤلفون قدرة الميتاسطح على التصوير غير الخطي، محققين دقة مكانية تبلغ حوالي 6 ميكرومتر عند تحويل الصور تحت الحمراء إلى الطيف المرئي، مما يبرز التطبيقات العملية لهذه التكنولوجيا في الاستشعار والتصوير بالأشعة تحت الحمراء.
DOI: https://doi.org/10.29026/oea.2026.250257
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Tingting Liu et al.
Primary Topic: Metamaterials and Metasurfaces Applications
Overview
This research demonstrates the use of nonlinear silicon metasurfaces for high-efficiency infrared upconversion imaging, addressing the limitations of conventional infrared detectors. By breaking in-plane symmetry in a single direction, the metasurfaces support high-Q quasi-bound states in the continuum (quasi-BIC) resonances, which significantly enhance third-harmonic generation (THG) with a conversion efficiency of $3 \times 10^{-5}$ at a pump intensity of $10 \, \text{GW/cm}^2$. This innovative approach allows for the pixel-by-pixel upconversion of arbitrary infrared images into the visible spectrum, achieving a spatial resolution of approximately $6 \, \mu m$, as validated through standard resolution targets and customized patterns.
The findings establish a new paradigm for designing efficient nonlinear metasurfaces, offering a scalable and practical platform for infrared imaging with reduced system complexity. Furthermore, the principle of controlled symmetry breaking can be extended to enhance other nonlinear processes, such as second-harmonic and high-harmonic generations. The potential for integration with two-dimensional and van der Waals materials, as well as electro-optical materials, suggests avenues for developing dynamically reconfigurable nonlinear imaging systems.
Introduction
The introduction of the paper discusses the significant potential of infrared (IR) imaging across various applications, including night vision and biomedical diagnostics. However, conventional IR detectors face challenges such as low sensitivity, high costs, and the necessity for cryogenic cooling. To address these limitations, nonlinear frequency upconversion imaging has emerged as a promising solution, transforming IR light into the visible spectrum where silicon-based detectors can operate effectively. Recent advancements in nonlinear imaging utilizing nanostructured ultrathin metasurfaces have garnered attention due to their ability to manipulate light at the nanoscale, enhancing control over various optical properties.
The paper highlights the transition from traditional wavefront-shaping techniques to direct upconversion imaging using resonant metasurfaces, which significantly improve nonlinear conversion efficiency by enhancing the local electromagnetic field. This method simplifies the design process and alleviates fabrication challenges associated with complex wavefront-encoded systems. The authors propose a novel approach utilizing high-Q silicon metasurfaces, leveraging quasi-bound states in the continuum (quasi-BICs) to achieve enhanced third-harmonic generation (THG) for efficient IR upconversion imaging. They report an absolute conversion efficiency of $3 \times 10^{-5}$ under a pump intensity of $10 \, \text{GW/cm}^2$, demonstrating the capability of their designed metasurface to efficiently convert IR images into the visible range while maintaining high image quality. This work underscores the potential of nonlinear silicon metasurfaces in advancing IR imaging technologies.
Results
The results section presents the design and analysis of a nonlinear metasurface aimed at infrared (IR) upconversion imaging, utilizing third-harmonic generation (THG) to convert IR signals into the visible spectrum. The metasurface is constructed from silicon nanodisks, specifically a pair of circular-elliptical shapes, with defined dimensions and periodic arrangements on a glass substrate. The introduction of structural asymmetry through the minor axis of the elliptical disk facilitates the transformation of a genuine bound state in the continuum (BIC) into a high-Q quasi-BIC resonance, thereby enabling controlled radiative channels for enhanced light-matter interactions.
The theoretical and numerical analyses reveal that varying the minor axis of the elliptical nanodisk affects the eigenfrequency and radiation loss of the resonant modes. At the condition where the minor axis equals the radius, the metasurface supports a genuine BIC that is decoupled from free space, characterized by even symmetry in its magnetic field distribution. However, as the minor axis is adjusted, the system transitions to a quasi-BIC state with increased radiation loss, evidenced by a broadening of the resonant linewidth and a blueshift in resonance wavelength. This behavior is consistent with the eigenmode analysis, indicating that the Q-factor of the quasi-BIC decreases with greater asymmetry, thus highlighting the potential for optimizing metasurface designs for enhanced nonlinear optical applications.
Discussion
In this section, the authors detail the fabrication and characterization of quasi-bound states in the continuum (quasi-BIC) metasurfaces, emphasizing their potential for enhanced nonlinear optical applications. The metasurfaces were fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate using electron-beam lithography and inductively coupled plasma etching, resulting in samples with minor axes ranging from 120 nm to 180 nm. Linear reflectance measurements revealed that as the minor axis approaches the radius of the structure, the quality factor (Q-factor) increases significantly, reaching values up to approximately 4000, which correlates with enhanced electric field confinement and reduced radiation loss. This behavior confirms the symmetry-protected nature of the quasi-BIC resonances.
Subsequently, the authors investigated the nonlinear optical response, specifically third-harmonic generation (THG), using a femtosecond laser. The normalized conversion efficiency of THG was found to increase as the minor axis approached the radius, consistent with the observed Q-factor trends. However, a saturation effect was noted at higher pump powers, attributed to spectral mismatches between the resonance bandwidth and the laser pulse width. The THG signal from the quasi-BIC metasurface was over 650 times greater than that from a flat film, demonstrating the efficacy of the localized fields in enhancing nonlinear processes. The authors also showcased the metasurface’s capability for nonlinear imaging, achieving a spatial resolution of approximately 6 µm when converting infrared images to the visible spectrum, thus highlighting the practical applications of this technology in infrared sensing and imaging.