超分辨中红外上转换近场成像技术研究成果总结

    中国科学技术大学夏慷蔚教授团队与华东师范大学黄坤教授团队联合攻关，在中长波红外显微成像领域取得重要突破性进展，相关研究成果发表于国际权威期刊《Laser&PhotonicsReviews》。该研究以中国科学技术大学为第一完成单位，博士研究生管俊宇、张瀚宇为共同第一作者，夏慷蔚教授与黄坤教授为共同通讯作者。

    研究背景

    中长波红外（MIR-LWIR）显微技术能够提供丰富的分子振转光谱信息，是化学材料与生物样品无损、无标记分析的核心技术手段。相较于拉曼光谱，红外吸收光谱具有更高的截面特性，可大幅降低光照强度，有效减少样品损伤风险，在化学分析、活体细胞成像等非侵入式应用场景中具备显著优势。然而，受长波长红外光衍射极限的制约，传统红外显微镜的空间分辨率通常局限于数十微米量级，难以适配微纳米尺度样品的精细化观测需求，严重限制了其在细胞生物学、化学分析、凝聚态物理等前沿领域的深度应用。

    近年来，学界已发展多种突破衍射极限的红外成像技术，包括原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）、光声成像、红外光热成像等，但各类技术均存在固有局限：AFM-IR技术虽能实现纳米级分辨率，却面临视场狭窄、仪器结构复杂、穿透深度有限等问题，无法适用于三维结构或液体样品成像；红外光声成像需依赖水等声学耦合介质及超声换能器，红外光热成像则受样品及其周围介质的热物理性质制约，应用场景受限。

    另一种红外探测思路是将中远红外信号上转换至近红外或可见光波段，借助高效率、低噪声的硅基探测器完成检测。此前已报道的上转换成像平台（包括块状非线性晶体、集成薄膜、介电超表面、纳米等离激元腔等）虽已展现单光子灵敏度与超快帧率，但空间分辨率大多停留在数十微米量级，且普遍需要精密偏振控制、相位匹配或复杂纳米腔体设计，工程化实现难度较大。因此，研发低功耗、高效率、易于实施的中远红外纳米成像技术，成为当前该领域亟待解决的关键科学问题。

    核心创新与技术优势

    针对上述技术瓶颈，研究团队提出一种基于稀土掺杂晶体（Nd:YAG）的中长波红外到近红外转换技术，成功实现超分辨成像。其核心机制在于借助Nd³⁺离子丰富的能级结构：通过730nm连续激光将Nd³⁺离子泵浦至激发态后，电子经非辐射弛豫到达⁴F₅/₂与⁴F₃/₂能级并发射荧光；当中长波红外光（7-10.6μm）照射晶体时，会改变上述两个能级间的电子布居状态，导致810nm和890nm荧光发射强度产生可量化的变化，进而实现红外信号向近红外信号的直接转换。

    该技术具备四大核心优势：

    1.宽光谱覆盖与室温工作特性：在7-10.6μm波段实现连续响应，无需低温冷却装置，显著简化实验装置的搭建与运行；

    2.系统结构简洁鲁棒：不依赖偏振控制、相位匹配或复杂纳米腔体设计，降低了环境干扰对成像效果的影响，稳定性强；

    3.突破衍射极限限制：依托近场效应与近红外光学探针，将空间分辨率提升至亚微米级，达到红外波长的1/10；

    4.单纳米粒子光谱探测能力：可实现中长波红外波段单纳米粒子的光谱测量，拓展了技术的应用场景。

    实验验证结果

    为验证该技术的超分辨成像性能，研究团队开展两项关键实验：

    1.在Nd:YAG晶体表面制备被硅层遮挡的金属E形结构，通过逐点扫描共聚焦显微镜并监测转换后的近红外信号，成功达成隐藏物体的高分辨率成像，系统成像分辨率经评估为1μm，显著优于红外波长的衍射极限，充分证实了近场效应在超分辨成像中的核心作用；

    2.将技术拓展至二维材料成像领域：通过化学气相沉积在Nd:YAG晶体上生长1μm厚的硅层，再采用机械剥离法转移六方氮化硼（hBN）薄片，实现对hBN的亚衍射极限分辨率成像，能够精准检测到10-70nm的厚度变化。定量分析结果表明，hBN的红外响应与厚度呈单指数衰减关系，证实了该系统在二维材料纳米尺度空间成像与厚度变化检测方面的可靠性能。

    总结与展望

    该研究成功研发超分辨中红外上转换近场成像技术，在7-10.6μm波段实现室温条件下的高分辨率成像。该技术无需低温冷却、偏振控制或相位匹配，系统结构简单且鲁棒性强，通过近场效应将成像分辨率提升至亚微米级，并具备中长波红外单纳米粒子光谱测量能力。其技术原理具备普适性，可进一步扩展至其他稀土离子体系。

    未来，研究团队将通过制备等离激元光学腔，进一步提高探测灵敏度；该技术与微结构制造工艺的良好兼容性，为在芯片表面制造红外/太赫兹腔体提供了可行路径，不仅可实现探测灵敏度的进一步增强，还能为光学探测、空间映射及片上红外/太赫兹光子器件的光传播与光学模式读取提供全新技术方案，为集成片上红外/太赫兹光子学领域的发展奠定重要基础。

    本研究获得国家自然科学基金委、科技部、中国博士后科学基金、上海市科委及中央高校基本科研业务费的联合资助。