科学探索|新研发的分子震动装置将不可见的中红外光转化为可见光新研发的分子震动装置将不可

EPFL、中国、西班牙和荷兰的研究人员建造了一个微型装置，该装置利用振动的分子将不可见的中红外光转化为可见光。这一突破可以为热成像和化学或生物分析带来一类新的紧凑型传感器。

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光是一种电磁波：它由在空间传播的振荡电场和磁场组成。每个波的特点是它的频率，它指的是每秒钟的振荡次数，以赫兹（Hz）衡量。我们的眼睛可以检测到400至750万亿赫兹（或太赫兹，THz）之间的频率，它定义了可见光谱。手机摄像头中的光传感器可以检测到低至300太赫兹的频率，而用于通过光纤连接互联网的探测器对大约200太赫兹敏感。
在较低的频率下，光所传输的能量不足以触发我们眼睛和许多其他传感器中的光感受器，这是一个问题，因为在100太赫兹以下的频率，即中红外和远红外光谱，有丰富的信息可用。例如，一个表面温度为20°C的身体会发出高达10太赫兹的红外光，这可以通过热成像"看到" 。此外，化学和生物物质在中红外有明显的吸收带，这意味着我们可以通过红外光谱学远程和非破坏性地识别它们，这有无数的应用。
将红外线转化为可见光
EPFL、武汉理工大学、瓦伦西亚理工大学和荷兰AMOLF的科学家们现在已经开发出一种新的方法，通过将红外光的频率改变为可见光的频率来探测红外光。该装置可以将常见的高灵敏度的可见光探测器的"视线"延伸到远处的红外线。这一突破发表在《科学》杂志上。
频率转换并不是一件容易的事。由于能量守恒定律，光的频率是一个基本要素，不能轻易通过在表面上反射光或让光穿过材料来改变。
研究人员绕过了这一点，用一种媒介将能量添加到红外光中：微小的振动分子。红外线被引向分子，在那里它被转化为振动能量。同时，一束频率更高的激光照射在相同的分子上，以提供额外的能量并将振动转化为可见光。为了促进转换过程，分子被夹在金属纳米结构之间，金属纳米结构作为光学天线，将红外光和激光能量集中到分子上。
【科学探索|新研发的分子震动装置将不可见的中红外光转化为可见光】

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左上：实验概念。感兴趣的红外信号和提供能量的激光被集中在分子上，并与分子的内部振动相互作用，产生一个可见频率的红外信号的上转换副本。左下角。样品的扫描电子显微照片。这些分子太小无法辨别，它们被夹在一个金纳米槽和一个金纳米粒子之间，它们共同形成了一个质子腔，大大加强了所有信号对分子的聚焦。右图。槽内纳米粒子质子腔的艺术图，将不可见的红外信号转换成可见光（亮点）。
一种新的光
领导这项研究的EPFL基础科学学院的Christophe Galland教授说："这个新装置有许多吸引人的特点。首先，转换过程是相干的，这意味着原始红外光中存在的所有信息都被忠实地映射到新产生的可见光中。这使得高分辨率的红外光谱学可以用标准的探测器来进行，比如手机摄像头中的那些探测器。其次，每个装置的长度和宽度大约为几微米，这意味着它可以被纳入大型像素阵列中。最后，该方法具有高度的通用性，只需选择具有不同振动模式的分子，就可以适应不同的频率。"
"然而，到目前为止，该设备的光转换效率仍然很低，"该工作的第一作者陈文博士提醒道。"我们现在正集中精力进一步改进它"--这是走向商业应用的关键一步。