據麥姆斯咨詢報道，加州大學洛杉磯分校（UCLA）薩繆利工程學院的科學家開發出了一種更高效的光波長轉換方法，據稱有望為成像、傳感和通信系統的性能改善打開新大門。加州大學洛杉磯分校薩繆利工程學院的電氣和計算機工程教授Mona Jarrahi領導了這項研究，該研究成果已于上周在Nature Communications發表。

找到一種有效的方法來轉換光的波長，對于許多成像和傳感技術的開發至關重要。例如，將入射光轉換為太赫茲波，可以實現對光學不透明環境的成像和傳感。然而，此前開發的光波長轉換框架效率很低，并且需要龐大而復雜的光學裝置。

納米天線陣列結合InAs晶格，可以彎曲入射光

半導體表面態

UCLA領導的研究小組設計出了一種新解決方案，他們通過探索一種通常不受歡迎但卻是自然現象的半導體表面態，來提高光波長轉換效率。

在半導體材料中，表面總會有邊界的存在。而在邊界處，由于外部已經沒有原子與表面硅原子結合，所以處在表面的硅原子會有未配對的電子存在，即有未飽和的鍵，被稱為懸掛鍵。這些不完整的懸掛鍵，會阻礙電荷流過半導體器件并影響其性能。

UCLA太赫茲電子實驗室負責人Jarrahi說：“一直以來，業界付出了很多努力來抑制半導體器件中表面態的影響，但是并沒有意識到它們具有的獨特電化學特性，可以實現前所未有的器件功能。”

光纖尖端的納米天線陣列，可用于太赫茲波長轉換

光波長轉換

事實上，這些不完整的懸掛鍵在半導體表面產生了一個淺而巨大的內在電場，研究人員決定利用表面態來改善光的波長轉換。

入射光擊中半導體晶格中的電子，并將它們遷移到更高的能態，此時它們可以在晶格中自由躍遷。半導體表面產生的電場進一步加速了這些光激發的高能電子，然后這些電子以不同的光波長輻射所獲得的額外能量，從而實現光波長轉換。

不過，這種能量交換只能發生在半導體表面。為了解決這個問題，研究小組采用了一種可以彎曲入射光的納米天線陣列，從而將其限制在半導體的淺表面周圍。

該研究的主要作者、Jarrahi研究實驗室成員Deniz Turan說：“通過這種新的框架，光波長轉換變得很容易進行，而且不需要任何額外的能量源。”Deniz Turan最近從UCLA獲得了電氣工程博士學位。

研究人員成功且高效地將1550納米波長的光轉換為波長范圍從100微米到1毫米的太赫茲波。該團隊通過將這項新技術整合到內窺鏡探頭中，驗證了波長轉換效率，該探頭可以利用太赫茲波進行詳細的體內成像和光譜分析。

如果沒有新的光波長轉換框架，需要100倍的光功率才能達到相同的太赫茲波成像效果，而內窺鏡探頭中使用的薄光纖無法支持這種功率。這項突破還可以應用于從微波到遠紅外波長的電磁光譜波長轉換。