基于 MWIR 到 SWIR 波段的高效德国石墨超表面第三谐波上转换全 Stokes 成像

介质共振超表面可用于高效高次谐波发生，在本工作中我们利用一种高效德国石墨超表面，通过第三谐波 (THG) 从 4 微米基波波长上转换至 1.33 微米波长，实现高效的全 Stokes 成像。Ge 薄膜的内部 TH 转换效率约为 1x10^-5 % 到 5.6x10^-3 %，而 Ge 超表面的效率为 1.5x10^-4 % 到 1.05x10^-1 %（线性偏振 LP 入射），以及 1.3x10^-4 % 到 6.1x10^-2 %（圆偏振 CP 入射），在光强范围为 0.47 GW/cm² 到 16.8 GW/cm² 时。讨论了 Ge 薄膜高度变化的效果，并与传输线理论对 nonlinear 中介进行比较。超表面设计的网格间距经过调整，以适用于用于分析基波束的偏振状态的各向异性十字三角形纳米天线。还讨论了源强度对 LP 和 CP 状态下 TH 转换效率的影响，以及翻转 nonlinear 衍射阶数、初始出现新谐波的强度依赖性及设计限制。据我所知，采用这种类型的超表面设计是首次实现上转换全 Stokes 成像。其优势在于可对 MWIR 实现上转换极化测量，在 SWIR 波段可获得无冷却的高效探测器，从而实现高分辨率热成像。这种高效的 Ge 超表面免除因分配相位梯度以实现偏振相关 TH 衍射阶数生成和正交传输差异导致的 TH 传输损失。将此类超表面集成到红外图像上转换技术中，将为强烈热信号识别开辟新可能，尤其适用于下一代红外制导装置在监视和导弹防御系统中的目标识别。