中長波紅外（MIR-LWIR）顯微技術能夠提供豐富的分子振轉光譜信息，是實現化學材料和生物樣品無損、無標記分析的重要工具。與拉曼光譜相比，紅外吸收光譜具有顯著更高的截面，可大幅降低光照強度，減少樣品損傷風險，特別適用于化學分析和活體細胞成像等非侵入式應用場景。然而，由于長波長紅外光的衍射極限限制，傳統紅外顯微鏡的空間分辨率通常局限在數十微米量級，難以對微納米尺度樣品進行精細觀測，嚴重制約了其在細胞生物學、化學分析和凝聚態物理等領域的深入應用。
近年來，研究人員發展了多種突破衍射極限的紅外成像技術，包括原子力顯微鏡-紅外光譜（AFM-IR）、光聲成像和紅外光熱成像等，各具優勢但也存在局限。AFM-IR技術雖能實現納米級分辨率，但視場受限、儀器復雜，且穿透深度有限，不適用于三維結構或液體樣品成像。紅外光聲與光熱成像技術通過檢測紅外吸收所激發的超聲信號或局部折射率變化實現亞微米分辨率，但光聲成像往往需要水等聲學耦合介質和超聲換能器，光熱成像則通常依賴樣品本身及其周圍介質的熱膨脹系數、折射率溫度系數等熱物理性質，具有一定的局限性。另一種紅外探測策略是將中遠紅外信號上轉換至近紅外或可見光波段，利用高效率、低噪聲的硅基探測器進行檢測。此前報道的上轉換成像平臺包括塊狀非線性晶體、集成薄膜、介電超表面和納米等離激元腔等，已展現出單光子靈敏度和超快幀率，但其空間分辨率大多受限于數十微米，且多需要精密的偏振控制、相位匹配或復雜的納米腔體設計。因此，發展低功耗、高效率、易于實施的中遠紅外納米成像技術仍是當前亟待解決的重要科學問題。
據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學技術大學夏慷蔚教授與華東師范大學黃坤教授團隊合作在中長波紅外顯微成像領域取得新進展，提出了一種基于稀土摻雜晶體的中長波紅外到近紅外轉換技術，實現了7 μm~10.6 μm寬波段內亞微米級的高空間分辨成像，為材料、化學、生物領域提供了全新的納米尺度光譜成像手段。這項研究以“Mid- to Long-Wave-Infrared Nanoscopy With Lanthanide Transducers”為題發表在Laser & Photonics Reviews期刊上。
圖1 超分辨中紅外上轉換近場成像系統示意圖
研究團隊利用一種稀土摻雜晶體（Nd:YAG）實現中長波紅外到近紅外轉換并實現超分辨成像。該方法的核心在于利用Nd3?離子豐富的能級結構：730 nm連續激光將Nd3?離子泵浦至激發態，電子通過非輻射弛豫到達?F?/?和?F?/?能級并發射熒光。當中長波紅外光（7 μm-10.6 μm）照射晶體時，會改變這兩個能級間的電子布居，導致810 nm和890 nm熒光發射強度發生可測量的變化，從而實現紅外信號向近紅外信號的直接轉換。
該技術具有以下顯著優勢：
①寬光譜覆蓋與室溫工作：在7-10.6微米范圍內實現連續響應，無需低溫冷卻，簡化了實驗系統。
②無需復雜光學設置：不依賴偏振控制、相位匹配或納米腔體設計，系統魯棒性強。
③突破衍射極限：利用近場效應和近紅外的光學探針將空間分辨率提升至亞微米，達到紅外波長的1/10。
④單納米粒子光譜能力：可實現中長波紅外單納米粒子光譜測量。
為實驗驗證了該技術的超分辨成像能力，研究人員在Nd:YAG晶體表面制備了被硅層遮擋的金屬E形結構，通過逐點掃描共聚焦顯微鏡并監測轉換后的近紅外信號，成功實現了隱藏物體的高分辨率成像。系統成像分辨率評估為1微米，顯著優于紅外波長的衍射極限，展示了近場效應在超分辨成像中的關鍵作用。
圖2 超分辨中紅外上轉換近場成像系統的分辨率評估
進一步地，研究團隊將該技術擴展至二維材料成像。通過化學氣相沉積在Nd:YAG晶體上生長1 μm厚的硅層，再使用機械剝離法轉移六方氮化硼（hBN）薄片，實現了對hBN的亞衍射極限分辨率成像，能夠檢測到10 nm-70 nm的厚度變化。定量分析表明，hBN的紅外響應與厚度之間呈現單指數衰減關系，證明了該系統對二維材料進行納米尺度空間成像和厚度變化檢測的能力。
圖3 二維材料六方氮化硼的超分辨中紅外上轉換近場成像
綜上所述，研究團隊發展了超分辨中紅外上轉換近場成像技術，實現了7 μm~10.6 μm波段內室溫高分辨率成像。該技術無需低溫冷卻、偏振控制或相位匹配，系統簡單且魯棒性強。通過近場效應將成像分辨率提升至亞微米級，并實現了中長波紅外波段的單納米粒子光譜測量。該技術的原理具有普適性，可擴展至其他稀土離子體系。未來，通過制備等離激元光學腔，有望進一步提高探測靈敏度。該轉換界面與微結構制造工藝的良好兼容性，為在芯片表面制造紅外/太赫茲腔體提供了可能，可進一步增強探測靈敏度，并為光學探測、空間映射和讀取片上紅外/太赫茲光子器件的光傳播和光學模式提供了全新途徑，為集成片上紅外/太赫茲光子學的發展鋪平了道路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202501012
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