通过不透明超表面实现光频率转换

　　美国杜克大学的研究人员发现，改变一类常用于电子学和近红外光子学中的材料——硫系玻璃——的物理形状，可以将它们的用途扩展到电磁光谱的可见光和紫外光部分。硫属化物玻璃已经在探测器、透镜和光纤中进行了商业应用，现在可能会在水下通信、环境监测和生物成像等应用中找到一席之地。相关论文发表在《Nature Communications》。

　　

　　顾名思义，硫系玻璃含有一种或多种硫系元素——硫、硒和碲等化学元素。但他们遗漏了一个家庭成员：氧气。它们的材料特性使其成为先进电子应用的有力选择，如光开关、超小型直接激光写入（比如微型可重写CD）和分子指纹。硫系光子学为从中红外传感到集成、超快、超高带宽信号处理的广泛应用提供了独特的解决方案。但是，由于硫系玻璃在电磁光谱的可见光和紫外部分强烈吸收光的波长，因此就其在光子学中的应用而言，硫系玻璃长期以来仅限于近红外和中红外。

　　

　　这里，研究人员从理论上预测，并通过实验证明报告了基于As2S3的超表面中的近红外到紫外频率转换，该转换由泵浦脉冲和三次谐波信号的不均匀部分之间的锁相机制实现，很大程度上，这在以前对硫属化物玻璃中的非线性光-物质相互作用的研究中被忽视了。由于相位锁定，非均匀成分与泵浦脉冲共同传播，并遇到与红外泵浦相同的有效色散，因此很少或没有吸收，从而为硫系玻璃科学和应用打开了以前未开发的光谱范围，尽管在该范围内存在强烈的材料吸收。

　　

　　具体操作过程中，研究人员采用由沉积在玻璃基板上的三硫化二砷 (As2S3) 纳米线组成光子超表面，通过热蒸发将 300 nm 厚的 As2S3 薄膜沉积在玻璃基板上，然后使用电子进行纳米图案化，使用 ZEP520A 抗蚀剂的光束光刻作为掩模，随后进行反应离子蚀刻。纳米线的尺寸经过优化，可通过调谐至 1064 nm 的泵浦脉冲来提高三次谐波产生 (THG) 效率。纳米结构的周期为 p = 625 nm，纳米线的宽度和高度分别为 wx = 430 nm 和 h = 300 nm。使用光谱椭偏仪测量 300 nm As2S3 薄膜的折射率和吸收系数，研究表明 As2S3在低于 500 nm 的波长处具有高度色散性和强吸收性，其中三次谐波波长（354 nm）被调谐。

　　

　　未来，他们将继续研究是否能够设计出不同形状的硫属化合物，这种硫属化合物能够比最初的纳米线更好地传输谐波信号。如果成功，该方法将为流行的电子材料和中红外光子材料开启广泛的可见光和紫外应用，而这些材料长期以来一直被排除在这些更高频率之外。