在现代光学与光子学研究中，中红外波段的光谱区域因其在分子指纹识别、气体传感、红外成像和量子通信等领域的广泛应用而备受关注。然而，传统的中红外探测技术受限于材料性能和探测器灵敏度，难以实现高效、宽带的光频率转换。近日，我校成人网址 罗宇教授、朱松教授团队联合新加坡南洋理工大学、哈尔滨工业大学等多家单位首次在二维范德瓦尔斯材料NbOI₂中实现了从中红外到紫外波段的高效多光子频率上转换，并展示了基于该材料的宽带中红外成像应用，为下一代红外光子学器件的发展开辟了新路径。该项研究以成人网址 为第一单位发表于国际知名学术期刊《Nature Communications》，我校罗宇教授和新加坡南洋理工大学王岐捷教授为该论文的通讯作者，我校朱松教授为论文的第一作者。
研究亮点：无相位匹配的宽带频率上转换
传统非线性光学材料如硅、氮化硅、铌酸锂等在实现中红外频率上转换时，往往面临相位匹配条件苛刻、非线性系数小、加工难度大等问题。而本研究团队采用的NbOI₂晶体是一种具有本征非中心对称结构的二维铁电材料，其在可见光区和近红外区已展现出优异的非线性光学性能，尤其是在二次谐波产生方面。然而，其在更宽波段（特别是中红外到紫外）的多光子频率转换潜力尚未被充分挖掘。
本研究首次系统展示了NbOI₂晶体在无需相位匹配条件下，实现从二次谐波到十一次谐波的宽带多光子频率上转换，覆盖中红外至紫外波段（最高至320 nm）。这一现象得益于NbOI₂晶体具有巨大的二阶和三阶非线性系数，其χ⁽²⁾值在1300 nm处高达147 pm/V，在2500 nm处仍保持约60 pm/V；χ⁽³⁾值在1550 nm处约为3×10⁻¹⁹ m²/V²，远优于许多传统材料。
图1 NbOI₂晶体中的各向异性二次谐波（SHG）与三次谐波（THG）过程。
技术突破：高效频率混合与高次谐波产生
除了高次谐波产生，研究团队还进一步探索了NbOI₂在非线性频率混合中的表现。通过双光束激发方案（1030 nm固定波长与1500–5000 nm可调中红外光），他们在同一NbOI₂薄片中同时观测到了和频产生、简并四波混频、以及两种不同的和频混叠过程。这些信号覆盖了整个可见光范围（430–730 nm），且其转换效率高达6×10⁻⁴ W⁻¹，远超目前最先进的超表面平台。
特别值得一提的是，研究团队还实现了七次、八次乃至十一次谐波的产生，且在低激发强度下即可观测到显著信号。例如，在3500 nm激发下，他们观测到了320 nm的十一次谐波信号，验证了NbOI₂在高阶非线性过程中的优越性能。
这些结果表明，NbOI₂不仅能支持高效的低阶非线性过程，还能在高阶谐波产生中保持较高的转换效率，具备实现全固态紫外光源、宽带频率梳、以及非线性光调制器的潜力。
图2 NbOI₂晶体中的多光子高次谐波过程。
应用价值：室温下实现宽带中红外成像
中红外成像在军事侦察、医学诊断、环境监测等领域具有重要应用，但传统中红外相机往往价格昂贵、性能有限。本研究团队利用NbOI₂晶体在和频产生过程中的高效频率上转换能力，首次实现了基于传统硅基可见光相机的宽带中红外成像。
图3 NbOI₂晶体中用于中红外频率上转换的频率混频。
在实验中，研究团队将1030 nm的泵浦光与2700–4000 nm的中红外信号光共聚焦于NbOI₂薄片上，通过和频产生将中红外图像信息转换为可见光信号，并由硅相机直接捕捉。结果显示，不同波长下的图像清晰可辨，验证了该系统在宽带中红外成像中的可行性与灵活性。
此外，研究还展示了基于二次谐波过程的偏振成像能力。通过调节激发光的偏振方向，团队实现了对图像对比度的调控，进一步拓展了NbOI₂在偏振敏感成像与探测中的应用前景。
图4 NbOI₂晶体中的室温宽带中红外上转换成像
科学意义与未来展望
本研究的核心突破在于：首次在二维铁电材料NbOI₂中实现了从红外到紫外的全波段高效多光子频率转换，并成功应用于实际成像系统中。这一成果不仅验证了NbOI₂作为一种新型非线性光学材料的巨大潜力，也为中红外光子学器件的微型化、集成化提供了全新思路。
相比于传统的非线性晶体或超表面结构，NbOI₂具有以下显著优势：
无需相位匹配，可大幅简化器件设计；
宽带响应，覆盖从可见光到中红外的广谱范围；
高非线性系数，可在较低激发强度下实现高效转换；
易于剥离与转移，适合构建柔性或集成光子器件；
良好的环境稳定性，可在室温空气中长期工作。
未来，研究团队计划进一步探索通过化学气相沉积法合成大面积NbOI₂薄膜，并结合共振结构如超表面、光子晶体、纳米盘等，进一步提升非线性转换效率。此外，通过堆叠方式实现准相位匹配，也有望在更高阶谐波产生和更宽波段范围内实现更高效的频率转换。
图5中红外上转换成像技术示意图。
本研究的成功标志着二维铁电材料在中红外非线性光学领域迈出了关键一步。NbOI₂不仅为实现宽带、高效、无需相位匹配的频率转换提供了理想平台，也为未来中红外成像、探测、光谱分析、量子光源等应用奠定了坚实基础。随着材料制备与器件集成技术的不断进步，基于NbOI₂的光子芯片有望在不久的未来实现从实验室走向实际应用的飞跃。
论文链接：//doi.org/10.1038/s41467-026-70781-w
