Поиск эффективного способа преобразования длин волн света имеет решающее значение для улучшения многих технологий визуализации и зондирования. Например, преобразование входящего света в волны терагерцового диапазона позволяет создавать изображения и воспринимать в оптически непрозрачных средах. Однако предыдущие системы преобразования были неэффективными и требовали громоздких и сложных оптических установок.
Команда под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала решение для повышения эффективности преобразования длины волны, исследуя обычно нежелательное, но естественное явление, называемое состояниями поверхности полупроводников.
Поверхностные состояния возникают, когда внешние атомы имеют недостаточное количество других атомов для связывания, вызывая нарушение атомарной структуры. Эти неполные химические связи, также известные как "оборванные связи", препятствуют прохождению электрических зарядов через полупроводниковые устройства и влияют на их работу.
Фактически, поскольку эти неполные связи создают неглубокое, но мощное встроенное электрическое поле на поверхности полупроводника, исследователи решили воспользоваться преимуществами поверхностных состояний для улучшения преобразования длины волны.
Входящий свет может поразить электроны в решетке полупроводника и переместить их в более высокое энергетическое состояние, после чего они могут свободно прыгать внутри решетки. Электрическое поле, создаваемое на поверхности полупроводника, дополнительно ускоряет эти фотовозбужденные высокоэнергетические электроны, которые затем выгружают дополнительную энергию, которую они получили, излучая ее на разных длинах оптических волн, тем самым преобразуя длины волн.
Однако этот энергообмен может происходить только на поверхности полупроводника и должен быть более эффективным. Чтобы решить эту проблему, команда включила массив наноантенн, который изгибает падающий свет, чтобы он плотно ограничивался мелкой поверхностью полупроводника.
Исследователи успешно и эффективно преобразовали световой луч с длиной волны 1550 нанометров в терагерцовую часть спектра, от 100 микрометров до 1 миллиметра. Команда продемонстрировала эффективность преобразования длины волны, включив новую технологию в эндоскопический зонд, который можно использовать для детальной визуализации и спектроскопии с использованием терагерцовых волн.
Без этого прорыва в преобразовании длины волны для достижения тех же терагерцовых волн, которые не могут поддерживать тонкие оптические волокна, используемые в эндоскопическом датчике, потребовалось бы в 100 раз больше уровня оптической мощности. Достижения могут быть применены к преобразованию оптических длин волн в других частях электромагнитного спектра, от микроволновых до длинных инфракрасных волн.