光是一種電磁波：它由在空間中傳播的振蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。每種波都有其頻率的特征，頻率是指每秒振蕩的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。我們的眼睛可以探測(cè)到400~750萬(wàn)億Hz或400~750THz之間的頻率，這定義了可見(jiàn)光譜。手機(jī)相機(jī)的光傳感器可以探測(cè)到300THz的頻率，而光纖網(wǎng)絡(luò)連接所用的探測(cè)器的靈敏度約為200THz。

在較低的頻率下，光傳輸?shù)哪芰坎蛔阋杂|發(fā)我們眼睛中的光感受器和許多其他感受器，這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵?00THz以下的中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜中有豐富的信息。例如，一個(gè)表面溫度為20 ℃的物體發(fā)出高達(dá)10THz的紅外線，可以通過(guò)熱成像“看到”。此外，化學(xué)物質(zhì)和生物物質(zhì)在中紅外波段具有明顯的吸收帶，這意味著我們可以通過(guò)紅外光譜遠(yuǎn)程無(wú)損地識(shí)別它們，紅外光譜有多種應(yīng)用。

將紅外線轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光

EPFL、中國(guó)武漢理工大學(xué)、西班牙巴倫西亞理工大學(xué)和荷蘭原子和分子物理學(xué)研究所（AMOLF）的科學(xué)家們現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一種新的方法，通過(guò)將紅外線的頻率改變?yōu)榭梢?jiàn)光的頻率來(lái)探測(cè)紅外線。該設(shè)備可以擴(kuò)展“視線”的一般可用和高靈敏度探測(cè)器的可見(jiàn)光遠(yuǎn)到紅外。這項(xiàng)突破發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

變頻不是一件容易的事。由于能量守恒定律，光的頻率是一種基礎(chǔ)，它不能輕易地通過(guò)在表面上反射光或通過(guò)材料來(lái)改變。

研究人員通過(guò)一種介質(zhì)——微小的振動(dòng)分子——給紅外光增加能量，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。紅外光直接照射到分子上，在分子上轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能。同時(shí)，一束更高頻率的激光束沖擊同樣的分子，提供額外的能量，并將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光。為了促進(jìn)轉(zhuǎn)化過(guò)程，分子被夾在金屬納米結(jié)構(gòu)之間，通過(guò)將紅外光和激光能量集中在分子上，充當(dāng)光學(xué)天線。

一束新光

該研究的負(fù)責(zé)人、EPFL基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院的Christophe Galland教授說(shuō)：“這種新設(shè)備有很多吸引人的功能。首先，轉(zhuǎn)換過(guò)程是連貫的，這意味著所有存在于原始紅外光中的信息都忠實(shí)地映射到新生成的可見(jiàn)光上。它允許用標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)器進(jìn)行高分辨率紅外光譜分析，就像在手機(jī)相機(jī)中發(fā)現(xiàn)的那樣。其次，每個(gè)設(shè)備的長(zhǎng)度和寬度都只有幾微米，這意味著它可以被整合到大型像素陣列中。最后，該方法具有高度的通用性，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地選擇具有不同振動(dòng)模式的分子來(lái)適應(yīng)不同的頻率�！�

該研究的第一作者Wen Chen博士警告說(shuō)：“到目前為止，該器件的光轉(zhuǎn)換效率仍然很低。我們現(xiàn)在正集中力量進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改善，這是邁向商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步�！�

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