频率变换设备和过程的制作方法
本发明涉及非电离电磁辐射的非线性频率/波长变换，并且特别是涉及频率变换设备(例如，诸如热成像设备或夜视设备)、频率变换过程，以及用于产生频率变换设备的过程。
背景技术：
存在要求或至少受益于将非电离电磁辐射从一种频率/波长变换成另一种频率/波长的许多应用，包括成像应用和检测应用。例如，夜视设备和热成像设备能够根据红外区域中的环境辐射或人工辐射生成可见光区域中的图像。但是，尽管现有的频率/波长变换设备具有有利的能力，但是在这些设备的性能还有在夜视装备的情况下的体积庞大的方面仍存在改进的空间。因此，期望的是，克服或减轻现有技术的一个或多个困难，或者至少提供一种有用的替代方案。
技术实现要素：
根据本发明的一些实施例，提供了一种频率变换设备，包括第一波长的电磁辐射的泵浦(pump)光束的源以及相互间隔开的半导体岛的阵列，这些半导体岛由至少一个iii-v半导体化合物组成，并且被配置为通过和频生成过程以及差频生成过程中的至少一个，使得入射到半导体岛上的第一波长的电磁辐射的泵浦光束和入射到半导体岛上的第二波长的电磁辐射使半导体岛发射第三波长的电磁辐射，该第三波长与第一波长和第二波长不同；
其中半导体岛由透明支撑物支撑，使得支撑物对第三波长的辐射基本上是透明的，其中至少第三波长的辐射穿过透明支撑物。
在一些实施例中，第二波长的电磁辐射是红外辐射，并且第三波长的辐射是可见光。
在一些实施例中，泵浦光束被指向沿着包含半导体岛阵列的平面。在一些实施例中，频率变换设备包括波导结构，以将泵浦光束限制在包含半导体岛阵列的平面内。
在一些实施例中，泵浦光束的部分透射通过半导体岛的阵列，并且频率变换设备包括滤波器，以移除该部分并使第三波长的电磁辐射通过。
在一些实施例中，频率变换设备对可见光是透明的，以使得视线能够通过频率变换设备。
在一些实施例中，半导体岛被配置为使得第三波长的电磁辐射主要在前向方向中发射。
在一些实施例中，半导体岛包括被配置为在各自不同的频率处谐振的半导体岛的组，通过和频生成过程以及差频生成过程中的至少一个，使得入射到半导体岛上的第一波长的电磁辐射的泵浦光束和入射到半导体岛上的不同第二波长的电磁辐射使半导体岛发射与相应的第二波长不同的相应的第三波长的电磁辐射。
在一些实施例中，第二波长在电磁谱的红外区域中，并且第三波长在电磁谱的可见区域中，使得入射到半导体岛的组上的不同的第二波长使半导体岛发射相应不同颜色的可见光。
在一些实施例中，半导体岛至少部分地嵌入在透明支撑物中。
在一些实施例中，透明支撑物包括附接到透明材料的层的透明基板，半导体岛至少部分地嵌入在透明材料的层中。
在一些实施例中，透明基板和透明材料二者都对第一波长的辐射以及对第二波长的辐射以及对第三波长的辐射基本上透明。
在一些实施例中，透明基板的折射率等于或近似等于透明材料的折射率。
在一些实施例中，透明基板的折射率不同于透明材料的折射率。
在一些实施例中，透明基板是玻璃或mgf2或baf2，并且透明材料是聚合物。
在一些实施例中，半导体岛是以具有几百纳米的数量级的直径和/或高度的圆柱体的形式。
在一些实施例中，第二波长的信号辐射从一个或多个物体反射，或以其它方式从一个或多个物体发射，并且频率变换设备包括聚焦元件，该聚焦元件被配置为聚焦至少第三波长的辐射，以形成该一个或多个物体的二维图像。
根据本发明的一些实施例，提供了一种包括上述频率变换设备中的任何一个的夜视设备。
根据本发明的一些实施例，提供了一种用于产生频率变换设备的过程，包括以下步骤：
在基板上形成相互间隔开的半导体岛的阵列，这些半导体岛由至少一个iii-v半导体化合物组成，并且被配置为通过和频生成过程或者差频生成过程，使得入射到半导体岛上的第一波长的辐射的泵浦光束和第二波长的信号辐射使半导体岛发射第三波长的辐射，该第三波长与第一波长和第二波长不同，其中基板对于该第三波长的电磁辐射基本上是不透明的；以及
将半导体岛附接到对于第二波长的辐射基本上透明的支撑物，以提供频率变换设备，其中相互间隔开的纳米级半导体岛的阵列由透明支撑物支撑，从而使入射在频率变换设备上的第一波长和第二波长的辐射使频率变换设备发射该第三波长的辐射，并且至少该第三波长的辐射穿过透明支撑物。
在一些实施例中，该过程包括从半导体岛移除基板。
在一些实施例中，半导体岛至少部分地嵌入在透明支撑物中。
在一些实施例中，透明支撑物包括附接到透明材料的层的透明基板，半导体岛至少部分地嵌入在透明材料的层中。
在一些实施例中，透明基板是玻璃或mgf2或baf2基板，并且透明材料是聚合物。
在一些实施例中，该过程包括配置半导体岛以支持在第一波长和/或第二波长和/或第三波长处的mie谐振。
根据本发明的一些实施例，提供了一种频率变换过程，包括将第一波长的电磁辐射的泵浦光束和第二波长的信号辐射指向到被透明支撑物支撑的相互间隔开的iii-v化合物半导体岛的阵列上，以通过和频生成过程或者差频生成过程使阵列发射第三波长的辐射，该第三波长与第一波长和第二波长不同；其中至少该第三波长的辐射穿过透明支撑物。
在一些实施例中，第三波长的辐射通过和频生成过程生成。在一些实施例中，第一波长的电磁辐射的泵浦光束在电磁谱的红外区域中。第三波长的辐射可以在电磁谱的可见区域中。
在一些实施例中，第三波长的辐射通过差频生成过程生成。在一些实施例中，第一波长的电磁辐射的泵浦光束在电磁谱的可见区域中。第三波长的辐射可以在电磁谱的可见区域中。
本文还描述了一种频率变换设备，包括相互间隔开的半导体岛的阵列，这些半导体岛由至少一个iii-v半导体化合物组成，并且被配置为通过和频生成过程或者差频生成过程，使得入射到半导体岛上的第一波长的电磁辐射使半导体岛发射与该第一波长和该第二波长不同的第二波长的电磁辐射，其中半导体岛由透明支撑物支撑，使得支撑物对第二波长的辐射基本上是透明的，其中至少第二波长的辐射穿过透明支撑物。
在一些实施例中，第二波长的辐射相对于第一波长的辐射的入射的方向在前向方向和后向方向中同时发射。半导体岛可以被配置为支持在第一波长和/或第二波长处的mie谐振。
本文还描述了一种夜视设备，其包括上述频率变换设备中的任何一个。
本文还描述了一种用于产生频率变换设备的过程，包括以下步骤：
在基板上形成相互间隔开的半导体岛的阵列，这些半导体岛由至少一个iii-v半导体化合物组成，并且被配置为使得入射到半导体岛上的第一波长的辐射通过非线性频率变换过程而使得半导体岛发射比第一波长短的第二波长的辐射，其中基板对于该第二波长的电磁辐射基本上是不透明的；
将半导体岛附接到对于第二波长的辐射基本上透明的支撑物，以提供频率变换设备，其中相互间隔开的纳米级半导体岛的阵列由透明支撑物支撑，使得入射到频率变换设备上的第一波长的辐射使频率变换设备发射第二波长的辐射，并且至少该第二波长的辐射穿过透明支撑物。
本文还描述了一种频率变换过程，包括将第一波长的辐射指向到由透明支撑物支撑的相互间隔开的iii-v化合物半导体岛的阵列上，以通过非线性频率变换过程而使该阵列发射比第一波长短的第二波长的辐射；其中至少该第二波长的辐射穿过透明支撑物。
本文还描述了一种频率变换设备，包括第一波长的电磁辐射的泵浦光束的源以及相互间隔开的半导体岛的阵列，这些半导体岛由至少一个iii-v半导体化合物组成，并且被配置为使得入射到半导体岛上的第一波长的电磁辐射的泵浦光束和入射到半导体岛上的第二波长的电磁辐射通过非线性频率变换过程而使半导体岛发射比第二波长短的第三波长的电磁辐射。
附图说明
以下仅通过示例的方式参考附图描述本发明的一些实施例，其中：
图1和图2分别是根据本发明一些实施例的频率变换设备的透视图和侧视图，包括在透明支撑物上并且被配置用于非线性频率变换的iii-v半导体岛的阵列；
图3图示了图1和图2的频率变换设备的一种操作模式，其中入射到岛上的第一波长的辐射通过非线性频率变换过程使岛发射比第一波长短的第二波长的输出辐射；
图4和图5是相应的另外的实施例的示意性侧视图，其中半导体岛部分地或完全地嵌入在透明支撑物中；
图6是又一个实施例的示意性侧视图，其中多层半导体岛嵌入在透明支撑物中；
图7是用于产生频率变换设备的过程的实施例的流程图；
图8至图11包括图7的生产过程的不同步骤处的部分制造的频率变换设备的示意性侧视图，以及示出半导体岛的细节的对应扫描电子显微镜(sem)图像；
图12至图15是图示使用热压印(hotembossing)步骤在半导体岛上透明嵌入层(在移除原始基板之后稍后将变成透明基板)的形成的示意侧视图；
图16包括测试样本的sem图像，以图示聚合物(在这个示例中为bcb)嵌入层、半导体岛和原始基板(在移除之前)之间的关系；
图17图示了图7的生产过程的步骤，其中从透明基板和部分嵌入的半导体岛中移除原始的不透明基板；
图18和图19分别是所得的频率变换设备和原始不透明基板的平面图sem图像；
图20是用于表征频率变换设备的半导体岛的光学特性的实验布置的示意图；
图21是半导体岛的线性谱测量的示意图；
图22示出了实验测量的(左侧板)和理论上计算出的(右侧板)各个半导体岛的消光谱，其中谱旁边给出不同的岛直径(以nm)，并且其中垂直虚线示出了入射的谱位置和二次谐波频率；
图23是在1556nm的泵浦波长处的随半导体岛直径而变化的线性消光及其多极分解的曲线图，其中黑色实线指示理论计算，点指示实验测量，而彩色线指示对理论计算的计算出的多极贡献，如图例中所指示的；
图24是单个半导体岛的非线性谱的示意图；
图25是在1556nm的泵浦波长处的来自不同直径的单独半导体岛的实验上测得的二次谐波生成(shg)效率(psh/pfw)的条形图，其中蓝色指示前向辐射，红色指示后向辐射，并且绿色指示前向和后向之和；
图26是随岛直径而变化的二次谐波的前向和后向之比的条形图；
图27至图30分别示出了远场sh辐射的计算出的3d图案，以及该图案的正面顶视图和底视图，其中圆锥和内圆指示实验上可到达的角度范围；
图31包括sh信号在前向方向中的方向性(顶部行)和偏振(底部行)示图，如通过实验上测量和理论上计算出的，其中箭头可视化偏振状态，并且入射光束沿着垂直方向线性地偏振；
图32与图31相同，但是针对后向方向；
图33是半导体岛阵列的透射测量的示意图；
图34包括分别实验上测量的和理论上计算出的半导体岛阵列的透射谱，其中在谱旁边给出了不同的岛直径(以nm为单位)；
图35包括实验上测量的来自直径为490nm的algaas半导体岛的二次谐波生成和三次谐波生成的后向后焦平面图像；
图36是具有椭圆度角x和偏振倾斜度角ψ的stokes系数的偏振椭圆的示意图，其中ea和eb是偏振椭圆的主要偏振轴(蓝色实线)；
图37包括在透射通过六个不同的偏振器之后在后向方向中的二次谐波信号的后焦平面图像，这六个不同的偏振器为：线性的水平偏振器、垂直偏振器、两个对角偏振器和两个圆形偏振器；
图38示出了stokes向量的四个分量，针对二次谐波信号的后向方向性；
图39示出了检索出的空间分辨的偏振程度、倾斜度和椭圆度；
图40是针对直径为490nm的algaas半导体岛的计算出的散射效率和多极子分解(高达四阶)的曲线图，其中泵浦被设置为沿着x轴偏振的平面波；
图41包括针对三个不同岛直径计算出的sh多极贡献的三个饼图，这三个不同岛直径为：340nm(左)，490nm(中)和640nm(右)；
图42示出了针对490nm的岛直径和分别为100nm、300nm和500nm的岛高度的计算出的sh方向性；
图43是随岛直径而变化的相对于晶轴的二次谐波生成偏振取向的效率的条形图；
图44：第一行：直径为490nm的半导体岛内部的基场(左)、感应的非线性电流(中间)和二次谐波场(右)的空间轮廓图(profile)；在三个不同的截面中示出的基场(第二行)和sh场(第三行)的近场分布；以及
图45是图示根据本发明实施例的使用泵浦光束来增加频率变换的效率的示意图；
图46是根据图45的和频生成(ffg)过程和差频生成(dfg)过程中的能量守恒的示意图；
图47是根据本发明一些实施例的图示使用滤波器移除泵浦光束的透射通过半导体岛的阵列的剩余部分的示意图；
图48包括四个绘图，表示来自具有要么[111]晶向(左侧绘图)要么[110]晶向(右侧绘图)并且以高度为400nm且直径要么为≈700nm(上部绘图)要么为800nm(下部绘图)的圆柱体的形式的半导体岛的可见光发射的三维空间分布；
图49(a)是二维绘图，表示随泵浦光束(水平轴)和信号光束(垂直轴)相对于高度为400nm且直径为430nm的圆柱形[100]algaas岛的表面法线的入射角而变化的半导体岛的计算出的前向sfg变换效率；
图49(b)是图示提供与图49(a)的圆圈区域对应的最高变换效率的光束配置之一的示意图；图49(c)是图示针对图49(b)的配置的计算出的发射的强前向指向性的绘图；
图50包括(a)光束配置的示意图，其中泵浦光束和信号光束是共线的，以及表示当公共入射角为(b)45°和(c)0°时来自半导体岛的可见光发射的三维空间分布的绘图；
图51是图示具有s偏振或p偏振的入射光束的示意图；
图52包括3个2维绘图，其表示具有695nm晶格周期的半导体岛的二维阵列的计算出的前向sfg效率对于相应的光束偏振是泵浦光束和信号光束的入射角的函数，其中信号和泵浦光束二者均为ss偏振(左侧绘图)、ps偏振(中间绘图)和pp偏振(右侧绘图)；
图53包括：(左侧)计算出的效率示图，对于四种不同偏振组合(hh、hv、vh和vv)，针对来自单独半导体岛的发射以及在770nm处的h偏振sfg；以及(右侧)针对相同偏振组合的sfg指向性示图的集合；
图54是用于表征半导体岛的非线性光学特性的装置的示意图；
图55是图示在使用图54的装置进行的测量中使用的光束配置的示意图，其中测量了后向指向的sfg输出光束；
图56是示出从飞秒激光源输出(也示出)生成的泵浦光束和信号光束的波长分布的曲线图；
图57是示出半导体岛的所得输出的测得的波长分布的曲线图；
图58是针对示出的偏振组合的在770nm处的h偏振sfg的颜色图，并且图59是表示针对相同的偏振组合的sfg发射的指向性的对应的四个图像的集合；
图60包括(a)具有被选择为在相应不同频率处谐振的四个不同配置的半导体岛的二维阵列的示意图，以及(b)在能量守恒方面的工作原理示意图，凭此不同的配置发射不同的可见颜色；
图61(a)是图60(a)所示并且具有300nm的高度和330、370、440和490nm的直径的形式的二维阵列的平面图sem图像；并且图61(b)和图61(c)是不同的半导体岛中的每一个的模拟的和实验上测量的线性谱的曲线图；
图62(a)是图示光束配置的示意图，其中来自半导体岛的发射主要是前向指向的；
图62(b)是表示来自嵌入在低折射率材料中的半导体岛的可见光发射的三维空间分布的绘图；
图62(c)与图62(b)相同，但是其中半导体岛被附接到玻璃基板，而不是被嵌入；
图63(a)是图示夜视装置的部件的示意图，其中来自物体的红外辐射至少部分地聚焦在由要么在阵列的平面中要么倾斜于阵列传播的激光束进行泵浦的半导体岛的二维阵列上，并使阵列生成聚焦到检测器平面上的对应可见光；图63(b)是当θ1＝90度时随角度θ2而变化的计算出的sfg强度的曲线图；接收角由sfg强度的一半最大值处的全宽度限定；
图64是用于表征半导体岛在透射和由泵浦光束照射下的非线性光学特性的装置的示意图；
图65是示出使用840nm泵浦光束和1550nm输入信号的用于夜视的频率变换设备的输出的测得的光谱的曲线图，这两个波长均已被滤光器从输出中移除；
图66(上部)是频率变换设备的示意性侧视图，其中半导体岛的阵列(未示出)嵌入在mgf2基板上的4μmbcb层中，从而通过在包含半导体岛的bcb层中进行波导来限制沿着bcb层的平面入射的840nm的泵浦光束，并且(下部)是示出被限制在bcb层内的泵浦光束的图像；
图67是随波长而变化的通过频率变换设备阵列和基板的光透射的曲线图，示出了在可见谱上(400至700nm)的所有波长处超过80％的卓越透射；
图68包括通过光学显微镜和与图67相同的频率变换设备拍摄的标准光学测试对象的四个图像：(左上)在白光照明下；(右上)在ir照明和泵浦光束二者下；(左下)在ir照明下没有泵浦光束；(右下)有泵浦光束，但没有ir照明；
图69是示出来自具有不同配置以及因此不同的谐振频率(与1140nm和1500nm的波长对应)的两个不同的半导体岛阵列的透射谱的曲线图；
图70是示出图69的不同岛配置如何可以通过和频率生成(sfg)与840nm泵浦光束一起使用以便选择性地生成483nm(偏蓝色)和538nm(偏绿色)的输出波长的能级示图。
具体实施方式
如图1和图2所示，频率变换设备包括由透明支撑物104支撑的相互间隔开的半导体本体或岛102的阵列。虽然岛102在平面图中的形状通常如图所示是圆形，但是它们可替代地可以形成为具有基本上任何期望的形状。岛102由至少一个iii-v化合物半导体构成，并且被配置为从而如图3所示入射到半导体岛102上的第一波长为λ1的电磁辐射302使得这些半导体岛102通过非线性频率变换过程而发射比该第一波长λ1短的第二波长λ2的电磁辐射304、306。
为了提高频率变换的效率，本发明的实施例对上述一般结构增加了电磁辐射的泵浦光束，如将在下面详细描述的。但是，在引入泵浦光束之前，首先描述半导体岛阵列和透明基板的特性。
使用由来自元素周期表的第iii族和第v族的元素的组合形成的化合物半导体(在本领域中称为“iii-v半导体”)，因为它们具有相对大的二次非线性电磁特性。相反，诸如si和ge之类的元素半导体由于其中心对称的晶体结构而没有表现出体(bulk)二次非线性。
在本说明书的上下文中描述为“透明”的支撑物104的特性应当被理解为意指该支撑物对于对应波长的辐射至少基本上是透明的，如下文进一步描述的。如本领域技术人员将理解的，在实践中，没有介质是完全透明的，并且当电磁辐射穿过介质时，总会有至少小程度的损耗，因此，当本文中将支撑物描述为透明的时，应该理解的是，这不要求支撑物是完全透明的且插入损耗为零。
在本说明书的上下文中，透明应当被理解为意指最少入射到支撑物104上的对应波长的辐射的至少10％透射穿过支撑物104，以便被认为对那个辐射是“透明的”。优选地，辐射量为至少20％，更优选地至少50％，甚至更优选地至少70％，并且最优选地至少80％。如本领域技术人员将认识到的，通常约70％的透射被视为“良好”程度的透射。在所描述的实施例中，约为80％或更高的透射是典型的。
在通常情况下，支撑物的透明允许第一波长的辐射和第二波长的辐射中的至少一个穿过透明支撑物。但是，在一些实施例中，所发射的电磁辐射可以包括在相对于第一波长的辐射的入射方向以大于90°的角度发射的方向中发射的辐射，如图3中的306所示。
第一波长和第二波长的值由化合物半导体岛的(一个或多个)配置(具体而言是它们的(一个或多个)成分和物理尺寸)来确定，从而允许半导体岛被配置为使得第一波长和第二波长的值适合感兴趣的特定应用。但是，如上面所指示的，化合物半导体的成分被选择为支持非线性频率变换过程，该非线性频率变换过程将第一波长的入射辐射有效地蓝移为比第一波长短的第二波长的输出辐射。对于本领域技术人员而言将清楚的是，其它非线性交互也可以用于生成比第一波长短的第二波长的输出辐射。
半导体岛可以由任何iii-v化合物半导体形成，只要晶体半导体和对应的透明晶体基板之间的晶格失配不会大到在半导体中引起高浓度的缺陷从而实际上使频率变换过程在实际意义上无效即可。合适的化合物的示例包括基于gan、gasb、gaas、inp、inas和ingaas的那些化合物。例如，半导体岛可以由alxga(1-x)as或inxga(1-x)as组成，其中x∈[0,1]。基板的取向(以及因此在基板上轴向地(epaxially)生长的半导体岛的取向)通常是主要的晶体学取向，诸如[100]、[110]或[111]。
半导体岛可以如图1和图2所示是独立的并且突出于(proudof)透明支撑物，或者如图4所示部分嵌入透明支撑物，或者如图5所示完全嵌入透明支撑物。在一些实施例中，半导体岛的阵列是三维阵列，如图6所示。虽然图6将这样的阵列示为半导体岛的二维阵列的两层的堆叠，但是在其它实施例中，可以继续这种堆叠，以提供具有三层或更多层的堆叠。不同的层可以包括由不同的化合物半导体组成的岛。此外，每个所堆叠的层中的半导体岛可以完全嵌入，如图6所示，也可以部分嵌入。此外，可以以多种不同方式来布置不同层中的半导体岛的间距和/或相对对准。在任何给定层中和/或在不同层中的岛的物理尺寸也可以有所不同。
因此，本文所述的频率变换设备能够在输入波长和输出波长的宽范围内上变换(up-convert)或蓝移非电离电磁辐射，如由各个化合物半导体岛的(一个或多个)配置所确定的。因而，通过在单独二维阵列或三维阵列中提供具有不同成分和/或物理尺寸的岛，如本文所述的单独频率变换设备可以在期望的输入和/或输出波长的宽范围内提供变换。
特别地，在所描述的化合物半导体岛被配置为蓝移入射的红外辐射的情况下，如本文所述的频率变换设备可以用于热成像或夜视。在一些实施例中，蓝移产生在可见波长区域内的波长处的光。在任何情况下，通过包括被选择为将不同波长的红外辐射蓝移到相应的不同波长的可见光的不同配置的化合物半导体岛，具有不同温度和/或发射率的对象的颜色表示可以要么直接地生成(如果输出波长在可见区域中)，要么经由对本领域技术人员而言已知的标准放大和图像生成方法(包括当前在现有热成像和夜视装备中使用的那些方法)间接地(在所有情况下)生成。
非线性电磁设备的制造
本文所述的频率变换设备可以通过诸如图7所示的生产过程来制造。通过选择至少一个期望的输入(或“第一”)波长和至少一个期望的输出(或“第二”)波长，该过程开始于步骤702。如上所述，这些波长一般将由频率变换设备所要应用于的特定应用来确定。在所描述的实施例中，频率变换设备将用于夜视或热成像，并且因此第一波长在电磁谱的红外区域中(并且大约为10μm或更小)，并且第二波长在电磁谱的可见区域中。
在选择了输入波长和输出波长之后，在步骤704处，它们被用于确定化合物半导体岛的至少一种相应的配置，特别是岛的(一个或多个)成分和物理尺寸，以支持那些波长。
在所描述的实施例中，半导体岛为圆柱体的形式，该圆柱体由具有alxga(1-x)as或inxga(1-x)as(其中x∈[0,1.0])或其合金的成分的化合物半导体组成，即，范围从gaas到alas、inas或ingaas。在inxga(1-x)as化合物的情况下，发现由in0.53ga0.47as组成的岛提供了最佳性能，因为它提供了与inp基板的最小晶格失配，并且因此产生最低的缺陷密度。
在所描述的实施例中，岛的尺寸是约20nm-10μm的纳米级别(“纳米级”)尺寸。使用电磁计算软件包，诸如comsol
在步骤706处，所选择的尺寸和成分的化合物半导体岛的阵列在与所选择的化合物半导体的外延生长兼容的晶体基板上形成。例如，在alxga(1-x)as化合物的情况下，基板可以是单晶gaas晶片，并且在inxga(1-x)as化合物的情况下，基板可以是单晶inp晶片。遗憾的是，兼容的基板具有高折射率，并且对于感兴趣的波长范围中(例如，在可见区域中)的电磁辐射是不透明的。化合物半导体在透明基板(诸如玻璃)上的生长导致在所生长的半导体中的高密度的位错，并且因此导致差的特性。
通常，形成步骤706涉及对本领域技术人员而言已知的标准半导体处理步骤，包括对应化合物半导体的层在不透明的半导体基板上的外延生长(如下文所述，可能在中间或缓冲层之后)，接下来是掩模层的沉积、通过光刻对掩模层的图案化、对化合物半导体层的所选择的区域蚀刻以及剩余的掩模材料的移除。形成期望配置的化合物半导体岛所需的步骤的具体细节充分地在本领域普通技术人员的能力范围内。
在一些实施例中，半导体岛至少部分地与基板解耦，以便减弱它们对基板的附着。这可以通过在生长将要从其形成岛的化合物半导体之前在基板上生长中间层来实现，其中该中间层由可以被选择性地移除以便解耦上覆的半导体岛的材料形成。残余(但相对弱)的耦合力(包括vanderwaals力)将半导体岛保持在其原始位置。例如，在半导体岛由alxga(1-x)as(其中x∈[0,≈0.8])化合物组成的情况下，alas可以用作中间层，因为它优先被hcl蚀刻。
在所有情况下，在不透明基板上形成了化合物半导体岛之后，在步骤708处将它们接合到透明支撑物上，并且在步骤710处，不透明基板被移除，以提供以由透明基板支撑的相互间隔开的半导体岛的形式的频率变换设备。在半导体岛已被解耦的实施例中，可以通过简单地将不透明基板从半导体岛拉开来移除不透明基板，因为解耦步骤使得半导体岛和不透明基板之间的接合比半导体岛和透明支撑物之间的接合弱。否则，在不存在解耦步骤的情况下，可以通过例如蚀刻来移除不透明基板。例如，在inp基板上的inxga(1-x)as化合物的情况下，可以优先地通过hcl酸来移除基板。例如，在gaas基板上的alas化合物的情况下，可以优先地通过柠檬酸/h2o2溶液来移除基板。
如上所述，所得的频率变换设备可以在步骤712处被用于使电磁辐射蓝移。
顺便提及，虽然将有可能的是将化合物半导体层转移到透明(例如，玻璃)基板，并且然后使所接合的层图案化，以形成化合物半导体的相互间隔开的岛，但是在实践当中由于所转移的层粘附性差并且脆弱，一般不可能以这种方式形成具有高空间分辨率以及光滑的表面和边缘的岛，高空间分辨率以及光滑的表面和边缘是实现高非线性变换性能所要求的特性。
现在，在被配置为将红外辐射变换成可见辐射以用于热成像或夜视应用的频率变换设备的上下文中描述本发明的一些实施例。在这些实施例中，化合物半导体成分被选择为具有与该化合物的岛的二维阵列的平面垂直的[100]晶体学取向的al0.2ga0.8as，并且半导体岛被选择为圆柱体或圆盘，所述圆柱体或圆盘具有340-690nm范围中的各种直径和大约300nm的固定高度，使得半导体岛将在输入波长和输出波长处支持mie型谐振(因为当半导体岛在输入波长和输出波长二者处都谐振时，频率变换频率被最大化)。在所描述的实施例中，岛以5μm的间距或周期被布置在正方形网格上。但是，一般而言，这些岛可以以任何方式布置，包括为了高堆积密度的六边形晶格布置、准随机布置以及提供输出辐射的衍射的布置(例如，用以激发fano谐振并增强效率)。为了比较，以1μm的间距形成具有相同成分的岛的一些阵列。
通过金属有机化学气相沉积(mocvd)在[100]gaas晶片上外延地生长20nmalas牺牲缓冲层，其后是300nmal0.2ga0.8as层，并且最后是5nmgaas覆盖层，以防止al0.2ga0.8as的氧化。然后通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)在al0.2ga0.8as上沉积400nmsiox掩模层。然后，使用电子束光刻和使用cl2、ar和h2气体的反应离子蚀刻对掩模层进行图案化，以移除除了具有上述间距和直径的圆形区域的正方形阵列之外的所有掩模层。
然后，在电感耦合等离子体(icp)蚀刻工具中蚀刻通过掩模层中的圆形开口暴露的化合物半导体区域，以移除所有外延地生长的化合物半导体和少量的gaas基板。如图8的示意图和图9的扫描电子显微镜(sem)图像所示，所得的结构由剩余的gaas基板802以及圆柱形柱体组成，该圆柱形柱体由gaas层804、alas层806、al0.2ga0.8as层808和sio2层810形成。在所描述的实施例中，使用cl2、ar和h2气体在等离子体蚀刻工具中执行蚀刻。虽然其它工艺气体和/或消减方法(例如，离子研磨)可用于实现相同的结构，但将cl2用作吹扫气体导致不粘连的表面，并且从而有助于后续从基板移除半导体，如下所述。
然后通过在2％hf中的湿蚀刻从每个柱体移除sio2层810和alas层806，以产生图10的示意图和图11的sem图像中所示的结构，其中alas层806的移除在gaas层804和al0.2ga0.8as层808之间产生界面(由图10中的点线1002表示)。如上所述，如果完全移除了alas层806(如图11的sem图像中所示)，vanderwaals力将al0.2ga0.8as层808保留在原位；否则，如果没有完全移除alas层806，那么该层806的任何其余部分都可以用来将al0.2ga0.8as层808维持在适当的位置。
在这个步骤之后，al0.2ga0.8as层/圆盘808被附接到透明支撑物。在所描述的实施例中，透明支撑物是由平面透明基板/覆板上的透明聚合物组成的复合结构或组件。在一些实施例中，通过在样本上旋涂(spin-coating)薄的(在一些实施例中为4μm)聚合物层、固化聚合物并将其接合到薄的透明基板/覆板上，形成并附接透明支撑物，如图12所示。通过热压印步骤，聚合物层的厚度然后可以被减小，通常但不一定减小至半导体岛的高度，其中如图14所示，通过对覆板层施加压力，加热聚合物层并使其在半导体岛周围流动，以产生图15所示的结构。为了说明的目的，图16的sem图像示出了al0.2ga0.8as岛的阵列，其中一些岛嵌入在具有相同的(400nm)高度/厚度的bcb聚合物层中。作为替代，在一些实施例中，在执行如上所述以及如图14中所示的热压印步骤之前，通过首先将聚合物层和覆板层接合在一起以及然后将所得的复合支撑物附接到半导体岛来实现附接，如图13所示。
在任一种情况下，热压印步骤也可以用于同时固化聚合物。例如，在聚合物是bcb的情况下，它需要在约300℃的温度固化，并且因此热压印步骤可以在该温度或更高的温度进行，以便同时固化bcb层。一旦被固化，bcb充当玻璃，并且可以被加热到大体上更高的温度(例如，高达至少500℃)而不会熔化，这可以促进添加一个或多个其它的层(包括bcb层)。
在各种实施例中，取决于应用，透明基板和聚合物层可以具有相同、相似或不同的折射率。在一些实施例中，基板是玻璃基板，并且聚合物是苯并环丁烯(bcb)，其具有与玻璃等效的折射率(～1.5)，从而允许bcb和玻璃充当复合波导。在一些实施例中，如下所述，基板是mgf2基板(具有约1.3的折射率)。在其它实施例中，基板是baf2基板或石英基板。在一些实施例中，聚合物是聚二甲基硅氧烷(pdms)。根据本公开，许多其它合适的透明基板和聚合物及其组合对于本领域技术人员而言将是清楚的。
最后，如图17所示，原始不透明基板1702的剩余部分通过从透明覆板层上剥离或以其他方式拉开而被移除，以提供频率变换设备1704。上述不透明基板表面的cl2气体处理是可选的，但是发明人发现它通过减少透明支撑物对不透明基板的粘附而促进了这种分离。图18和图19是所得的频率变换设备1704和不透明基板1702(其可以被丢弃)的sem图像。
所得的频率变换设备1704以部分嵌入透明覆板中的化合物半导体岛的二维阵列的形式(在这个示例中，以圆柱体或“圆盘”的形式)。可选地，半导体岛可以以多种不同方式完全嵌入透明基板中，但是最简单地是通过添加(例如，通过原地接合或形成(例如，通过旋涂和固化))第二透明基板/覆板层，以覆盖半导体岛的暴露的表面。可选地，可以执行第二热压印步骤，以移除第二透明基板和半导体岛之间的任何间隙。可以通过将两个或更多个单层频率变换设备接合在一起来形成半导体岛的三维阵列。通过简单地布置单层设备的堆叠，通常在晶片对准工具中以确定不同层中岛的相对位置，以及使用该工具向堆叠施加热量和压力以便实现接合，可以实现接合。在一些实施例中，如果需要，那么不同的蚀刻掩模布局可用于形成不同的层，并且从而可以在不同层中的岛之间提供横向偏移。
非线性电磁特性的光学表征
使用本领域中的研究人员常用的各种不同光学方法，对制造的频率变换设备的电磁性能和单独的岛的电磁性能进行表征。图20是示出实验配置的示意图，该配置用于表征al0.2ga0.8as的二维阵列和各个岛。为了测量来自各个半导体岛的非线性的生成的输出辐射(包括二次谐波生成(“shg”))，将单独的岛放置在两个共焦空气物镜的焦点中，这两个共焦空气物镜是：用于对fw进行聚焦的olympuslcplannir(0.85na，100×，红外)，以及用于收集输出辐射的olympusmplanfln(0.9na，100×，可见)。这与发射图案的空气中在大约58°和64°内的收集角对应，与玻璃和bcb中大约44°和40°的收集角对应。
通过执行刀刃实验并确保泵浦光束接近于2.2μm的衍射极限，测量聚焦泵浦激光束的直径。基板侧面面向可见物镜。因此，olympusmplanfln的物镜在前向方向中收集来自单个岛的输出辐射，而olympuslcplannir透镜在后向方向中收集输出辐射。泵浦激光器是在1556nm的波长处工作的脉冲掺er3+光纤激光器(～500fs，5mhz的重复率)。在激光器输出处，四分之一波片和半波片被用于控制输出偏振，并且两个冷却ccd相机被用于检测输出辐射。在前向方向中，陷波滤波器阻止泵浦激光。在后向方向中，在物镜的前面使用了二向色镜，用以将后向指向的输出辐射指向到相机上。
线性表征
使用与共焦配置中相同的装备，使用白光源(光纤耦合的钨卤素灯泡)和两个光谱仪来测量各个algaas纳米圆盘的消光谱，这两个光谱仪是：用于红外波长的带有andordu490a-1.7ingaas阵列检测器的princetoninstrumentsactonsp2300单色仪，以及用于可见区域中的波长的oceanoptics65000。通过圆盘和视场光阑测量透射谱，并使用ln(1-t)的近似关系来计算消光截面，其中t是测得的透射率，被归一化到基板的透射率。
如图21中示意性地示出的，在线性透射布置中测量各个岛的线性消光谱。图22包括两个曲线图：左侧曲线图示出了针对具有范围从340至670nm的不同直径以及300nm的固定高度的半导体圆柱体测得的随波长而变化的消光截面，并且右侧曲线图示出了在hugonin,j.p.；lalanne和p.reticolo的softwareforgratinganalysis；institutd’optique:orsay,france,2005中描述的严格耦合波分析(rcwa)数值模拟方法的对应理论预测。两个曲线图中的两条垂直虚线分别指示基波(“fw”)波长和二次谐波(“sh”)波长。左侧曲线图中的阴影区域指示光谱仪未覆盖的波长范围。
图22中所示的测量证明，在fw波长处有明显的大小相关的谐振，而在sh波长处有多个谐振，并且与右侧曲线图中所示的数值模拟有良好的一致性。据信，实验和理论预测之间的差异是由于上述测量装置的制造瑕疵和有限的数值孔径。
图23示出了在fw处的随半导体岛的直径而变化的提取的散射截面，其中点表示实验结果，并且实线曲线表示数值模拟。多极分解使用每个半导体岛内部感应出的偏振电流来执行，并且揭示了线性散射的谐振轮廓图(对于400-500nm的圆盘直径而言最大)基本上由每个岛中的磁偶极子激发(“md”)和电偶极子激发(“ed”)确定，在泵浦的fw波长(1556nm)处起主导作用。当圆盘直径增加时，四极子的一些微小贡献往往略有增加。
如图21和图22所示，应用于单独半导体岛的线性测量也被应用于岛的100μm×100μm阵列，如图33中示意性表示的，以针对各种岛直径产生如图34所示的测量的和模拟的零阶正向散射谱。与单独岛测量一样，实验测量的谱与数值计算有良好的一致性。
二次谐波生成
注意的是，当电偶极子和磁偶极子的振幅变得相等时，达到最高消光。换句话说，对于满足广义kerker条件的岛，观察到了最高的消光。在sh波长(778nm)处，岛中激发了更高阶的多极子。在fw波长和sh波长处的这两个谐振条件是岛中shg增强的原因。但是，当考虑到在fw场和sh场处的谐振模的空间重叠时，预期的是shg效率对半导体岛的大小的更加复杂的依赖性。这些结果表明，存在各个岛的最佳大小，以最大化来自单独的岛的shg效率。
使用泵浦激光的相对于岛的晶轴以45°入射角的线性(垂直)偏振，对于各个岛直径，在(相对于入射辐射的)前向方向和后向方向二者中测量由透明支撑物支撑的各个岛的非线性响应，如图23所示，以便最大化非线性张量分量。
具有～1mw的平均光束功率的激光束被红外波长物镜(na＝0.85)聚焦到2.2μm的衍射极限点，导致～7gw/cm2的峰值强度。另一个可见波长物镜(na＝0.9)收集由半导体岛在前向方向中发射的sh，而聚焦物镜在后向方向收集sh辐射。sh信号由两个冷却ccd相机检测，并用功率计校准。
来自具有不同直径的单独al0.2ga0.8as岛的shg测量的结果如图24所示，作为从测得的前向sh信号和后向sh信号之和得出的shg效率的值。由于sh频带中存在大量的更高阶的模，所以效率对岛大小的总体依赖性是复杂的。对于直径为490nm的岛，观察到最高效的shg，其变换效率高达8.5×10-5。
重要的是，如图25所示，可以通过选择半导体岛的尺寸来确定二次谐波发射的方向性。例如，对于约400nm的圆柱形(在本文中也称为“圆盘”)岛直径，sh辐射大部分是后向的，而对于500-600nm的直径，前向和后向之比保持接近于1，其中在后向sh发射方面略有优势。在较大的圆盘直径处，前向和后向之比再次达到峰值；但是，对于这些较大的圆盘，由于导致sh散射的许多更高阶的多极子，所以依赖性变得对岛直径非常敏感。sh效率(图24)和前向和后向之比(图25)二者一般都对半导体岛的几何形状敏感。特别地，几何参数可被调节为带来与可比的前向和后向之比(如图所示)重叠的高效率。此外，有可能同时实现高效率和单向性。
测量的重要特征是，sh辐射图案可以在前向方向和后向方向二者中以及在横向动量空间中进行表征。但是，这些数据表明，由于物镜的数值孔径有限，因此实验测量装置仅捕获总的sh辐射的功率的一小部分。
为了估计辐射的sh功率的总效率，使用comsolmultiphysics中的有限元方法求解器在频域中对半导体岛的非线性响应进行数值模拟。在这些模拟中，每个半导体岛被假设为嵌入在均匀介质中，该均匀介质具有与玻璃基板的折射率相等的折射率。化合物半导体的材料色散取自comsol列表数据。拥有锌混合晶体结构的[100]取向的al0.2ga0.8as的二阶非线性磁化率张量仅包含非对角元
假设未耗尽的泵浦近似，并且使用两个耦合步骤，以计算辐射的sh功率。首先，模拟在基波处的线性散射。为了更准确地仿效实验条件，半导体岛由沿着[110]方向偏振的聚焦单色高斯光束激发。由等式1给出的在岛内部感应出的体非线性偏振然后被用作在两倍频率处的下一个电磁模拟的源，以获得生成的sh场。
选择提供最大sh的圆盘大小(d＝490nm)，并计算三维sh远场辐射图案，如图26中所示。非线性散射受电四极子和更高阶的非线性生成的多极子(高达l＝4)的干扰控制，从而导致前向sh辐射的抑制，如图26所示。该同一辐射图案的侧视图、顶视图和底视图分别在图27至图29中示出。图27中的阴影区域描绘了上述实验配置中sh信号的前向收集角度和后向收集角度。这些收集角度也由图28和图29的前向远场辐射图像和后向远场辐射图像中的内圆指示。清楚地，实验中收集的能量小于总的生成的sh。通过对物镜的数值孔径内发射的sh量进行积分，估计的是实验上在前向方向和后向方向中收集总的sh能量的仅约30％。照此，估计总的生成效率三倍于测得的收集效率，从而超过了现有技术的记录值10-4。这种高效率为使用本文所述的非线性半导体阵列作为光束和偏振成形的功能元件提供了坚实的基础。
在前向方向和后向方向二者中，通过由在物镜和相机之间添加一对共焦透镜而建立sh辐射图案的后焦平面(bfp)图像，测量辐射图案。图30和图31的左上方图像分别示出了在前向(图31)和后向(图32)方向中由物镜基于物镜的数值孔径捕获的辐射示图。从这些bfp图像中，可以得出结论，如理论上最近预测的，法线方向上的sh辐射(bfp图像的(0,0)点)为零。这里，法线方向中的零sh发射源于非线性体χ(2)张量的对称性，并且因此对几何形状不敏感。因此，对于如上所述制造的所有半导体岛，观察到零sh发射。
三次谐波生成
为了进一步支持这些发现，测量来自相同岛的三次谐波生成(“thg”)。三次谐波依赖于χ(3)非线性张量，并且与sh辐射图案相反，它在法线方向中具有辐射最大值。虽然alxga(1-x)as非线性偏振的三阶非线性项比二阶非线性项弱得多，但它仍然是非零的，并且来自alxga(1-x)as岛的三次谐波生成(thg)信号可以被观察到。thg被期望为与来自其它经过深入研究的材料(如硅和锗)的thg相似。因此，就辐射图案而言，thg信号在垂直于圆盘轴的方向中非零。这个特性与shg辐射图案相反，shg辐射图案由于二阶张量的零对角分量而以后焦平面(bfp)图像的甜甜圈形状反射。从图35所示的前向归一化强度图像和后向归一化强度图像中，这种差异是清楚的，表明测得的shg的甜甜圈形状确实是sh发射的特性。
这对于半导体岛的阵列是重要的发现，因为来自阵列的多个岛的发射的干扰将导致来自零阶sh光束的较低的辐射效率。还注意到的是，表面二阶非线性原则上可以导致针对具体激发的正常sh辐射；但是，表面shg在这些实验中不明显，并且体χ(2)是主导非线性贡献。
二次谐波的偏振特性
更令人感兴趣的是观察到的远场甜甜圈光束的偏振状态。为了测试来自半导体岛的sh辐射的偏振特性，bfp图像的空间分辨偏振态使用stokes形式来检索。stokes系数在光偏振状态的总强度itot、(分数)偏振程度ρ、偏振倾斜度角ψ和椭圆度角x方面完整地描述光偏振状态。椭圆度tan(x)被定义为偏振椭圆的两个轴之比(见图36)，并且偏振倾斜度由主偏振轴和实验室坐标系的x轴之间的角度描述。
实验上，stokes参数通过测量通过一组六个不同的偏振器的光透射来发现，这六个不同的偏振器为：通过四分之一波片和线性偏振器的不同取向实现的线性的水平偏振器、垂直偏振器、两个对角偏振器和两个圆形偏振器。图37中示出了从直径为490nm的圆盘sh发射的后向方向性的一组测量。
下一步是检索stokes向量
i＝h+v＝da+db＝l+r
q＝h-v
u＝da-db
v＝l-r
这里，h是通过水平偏振器的透射，而v、da、db、l、r分别是通过垂直偏振器、两个对角偏振器、左圆形偏振器和右圆形偏振器的透射。
形成stokes向量的一组四个后焦平面图像在图38中示出。
接下来，计算系数如下：
所得系数在图39中示出。
我们观察到在sh频率处的向量束形成，如图31和图32中的箭头所示。特别地，可以在前向方向中观察到sh的几乎完美的径向偏振。在后向方向中，偏振状态更加复杂，其中偏振倾斜度具有径向结构，并且椭圆度的范围从近似圆形到线性，如图32所示。sh光束的偏振被数值上计算，并且在图31和图32中的右上方图像中示出。可以观察到理论与实验之间的一些差异。这些差异可以归因于设备的轻微不均匀性，特别是因为bcb不能完全覆盖半导体岛。
通过在输入辐射和输出辐射的波长处激发mie型多极子，可以直观地理解来自半导体岛的向量束的非线性生成。在最简单的示例性情况下，径向偏振的向量束可以由沿着圆盘天线的光轴取向的电偶极子发射。在更复杂的情况下，如本文描述的示例中，在sh波长处激发更高阶的多极子。这些多极贡献的叠加决定了输出偏振状态。可以针对具体应用进行设计。
来自上述化合物半导体岛的sh发射的辐射图案和偏振状态证明，可以实现超过10-4的非线性变换效率，因此所描述的纳米结构可用于提供纳米级的功能非线性设备。特别地，已经实验地证明了发射具有期望的偏振状态(例如，径向偏振)的向量光束的非线性纳米级光源。这些结果为新型非线性成像以及诸如用于生物成像的明亮荧光标记或用于高效非线性全息图的构成元素(例如，其可以用作安全设备)的应用开辟了新途径。
这些谱的多极分解支持将在线性状态(regime)下的观察到的谱谐振归因于mie型多极子的激发。偏振电流被用于此任务，并且提供最佳性能的岛参数为490nm，其中对应的结果如图40所示。
对于直径为340nm、490nm和640nm的圆柱形岛，还在sh场的非线性状态下执行多极分解。图41的相应饼图中示出了针对这三个直径的不同多极子对sh的相对贡献。
sh方向性对圆柱形岛高度的强依赖性通过图42的直径为490nm且高度为100nm、300nm和500nm的圆柱形半导体岛的方向性示图来证明。
sh效率对面内晶轴相对于泵浦偏振的取向的相对取向的强依赖性在图43中示出。
最后，在泵浦波长和二次谐波波长处的近场分布如图44所示。
使用泵浦光束的变换增强
为了增强从输入辐射到输出辐射(输出辐射的波长短于输入辐射的波长)的频率/波长变换的效率，本发明的实施例使用(例如，激光)辐射的“泵浦”光束，如下所述。冒着混淆的风险，为了更好地表示三个辐射源和辐射波长之间的因果关系，以及来自两个输入辐射源的输出辐射的有效生成，在下面的描述中，所供应的泵浦辐射被描述为具有第一(或泵浦)波长λ1或第一(或泵浦)角频率ω1，要被变换的入射辐射(在以下描述中为方便起见通常被称为“输入”辐射或“信号”)被描述为具有第二波长λ2或第二角频率ω2，并且所得的输出辐射被描述为具有第三波长λ3或第三角频率ω3。
图45是图示用于频率变换的总体布置的示意图，其中第一角频率ω1的泵浦光束相对于岛的表面法线(或相对于岛的二维平面)以一定角度-θ1入射到单独半导体岛(其通常将是半导体岛的二维阵列的一个岛)上。第二角频率ω2的输入辐射也以第二角度θ2入射到半导体岛(或半导体岛的阵列)上。入射到半导体岛(或半导体岛阵列)上的两个输入辐射源一起使(一个或多个)半导体岛生成第三角频率ω3的输出辐射，在图中示为以大致前向方向并且垂直于半导体岛(或半导体岛的平面)发射。
一般而言，存在可以用于对第二角频率ω2的输入辐射进行频率变换的不同机制。在被称为和频生成或“sfg”并在图46的左侧示意性说明的一种机制中，泵浦光束和输入辐射有效地组合，从而输出辐射的频率由ω3＝ω1+ω2给出，并且因此输出辐射的波长由
夜视
使用泵浦光束提高频率变换效率非常适合热成像和夜视应用。图47是图示夜视装置的操作的示意图，其中频率ω1的泵浦光束和频率ω2的短波红外('swir'，λ＝900-2500nm)信号在法线或接近法线的入射处入射到半导体岛的二维阵列上。响应于入射辐射，阵列通过sfg过程生成频率ω3＝ω1+ω2的输出辐射。在红外泵浦光束的一部分穿过半导体岛的阵列并且与输出辐射基本上共线的实施例中，红外泵浦光束的其余部分可以由滤波器移除，以提供基本上只包含与输入信号对应的频率为ω3的可见辐射的输出辐射，该输出辐射然后可被指向到裸眼上，或者可替代地被指向到光或成像传感器(未示出)、或图像增强器或用于放大和/或进一步处理的其它光学处理部件。在夜视的情况下，dfg过程要求泵浦光束在电磁谱的可见区域内，而sfg过程允许泵浦光束在红外中，这可以是有利的，因为它对于人眼是不可见的。
使用如图64示意性示出的光学表征装置，测量在泵浦光束的照明下在前向方向中由半导体岛阵列发射的光。例如，图65是示出使用840nm泵浦光束和1550nm输入信号的被配置用于夜视的半导体岛阵列的输出的测得的光谱的曲线图，这两个波长均已通过滤光器从输出中移除。该阵列是高度为300nm、直径为440nm和(中心至中心)间距为850nm的圆柱形algaas岛的100μm×100μm阵列，并嵌入玻璃基板上的bcb层中。
和频(sfg)544nm处的尖峰在谱中占主导地位，其中来自其它非线性变换过程(即，在575nm处的四波混合(fwm)和在517nm处的三次谐波生成(thg))的贡献很小。对于本领域技术人员而言将清楚的是，如果需要，那么可以通过添加合适的滤波器来轻松移除fwm和thg波长。
在一些实施例中，如下所述，泵浦光束可以被指向沿着半导体岛的二维阵列而不是垂直该二维阵列，并因此与输入信号正交或基本正交，如图49(b)示意性所示。
因此，泵浦光束的任何其余部分在空间上都与输出信号分开，并且因此一般不需要滤波器。此外，利用这种布置，泵浦光束可以照亮阵列中的所有半导体岛，同时在阵列的整个长度上也尽可能窄，从而增加了泵浦光束强度并相应地增加了频率变换的效率。
在一些实施例中，泵浦光束相对于半导体岛的阵列的二维平面以倾斜的角度(即，在垂直入射和平行入射的两个极端之间)被指向。取决于入射角，泵浦光束的其余部分可以在空间上与输出信号分开，从而消除了对ir滤波器的需求。
例如，图66包括频率变换设备的示意性侧视图，其中半导体岛的阵列(未显示)嵌入在mgf2基板上的4μmbcb层中，从而通过在包含半导体岛的bcb层中进行波导来限制沿着bcb层的平面入射的840nm的泵浦光束。为了证明泵浦光束的局限性，成像相机如图所示放置，并产生在图的下部示出的图像。该图像示出了泵浦光束的一部分被限制在bcb层内，并且另一部分(由于不良耦合)在mgf2基板内传播。
因为半导体岛的阵列和支撑物二者在可见波长处都是透明的，因此这种类型的夜视装置也透射入射可见光的大部分。例如，图67是随波长而变化的通过频率变换设备阵列和基板的光透射的曲线图。在这个示例中，高度为300nm、直径为440nm并且(中心至中心)间距为850nm的圆柱形algaas岛(与图65、67和68相同的阵列)被嵌入玻璃基板上的bcb层中。数据显示可见谱上(400至700nm)的所有波长处的透射超过80％。
夜视装置可以是可穿戴的，并且可以采用例如眼镜或护目镜(visor)的形式，或者可以是武器或交通工具或平视显示器或窗户的一部分或附接到武器或交通工具或平视显示器或窗户。根据本公开，许多其它合适的形式对于本领域技术人员而言将是清楚的。
装置的效率取决于各种因素，包括半导体岛的晶体取向和辐射的泵浦光束的入射角，这些也影响来自半导体岛的发射的指向性。
sfg和dfg非线性交互取决于对于本领域技术人员而言已知的材料特性，即，二阶非线性磁化率χ(2)，其高度依赖于半导体晶体晶格的对称性。以不同晶格取向(例如，[111]、[110]、[100]、[102]等)生长的半导体由不同的第二二阶非线性磁化率张量分量
其中对于第j个和第k个分量，等式相似。重要的是，非线性发射的角度方向高度依赖于非线性磁化率张量的矩阵的非零元。
具有[110]或[111]晶体学取向的半导体岛在垂直于基板(即，垂直于二维阵列的平面)的方向中发射输出辐射，因为它们由二阶非线性磁化率张量的矩阵中的非零对角元表征。因此，这些取向支持图46中示意性图示的一般操作。例如，图48示出了针对具有要么[111]晶向(左侧绘图)要么[110]晶向(右侧绘图)并且以高度为400nm且直径为要么≈700nm(上部绘图)要么800nm(下部绘图)的圆柱体的形式的gaas半导体岛的由comsol生成的数值模拟的结果。如可以看出的，所有这些配置对于产生优先在前向方向中发射的输出光束是有效的。此外，具有非圆柱形形状的岛的使用可被用于进一步增强发射中的这种强指向性，尤其是那些表现出强fano型谐振的岛，其可以强烈地增强变换效率。
图49(a)是表示随泵浦光束(水平轴)和信号光束(垂直轴)相对于高度为400nm且直径为430nm的圆柱形[100]algaas岛的表面法线的入射角而变化的由comsol计算的前向sfg变换效率的绘图。该绘图证明了对随这两个角度而变化的前向变换效率的强依赖性，其中提供最高变换效率(在绘图中用圆圈表示)的配置之一是在图49(b)中示出的配置，其中输入信号垂直于岛的[100]表面并正交于泵浦光束(该泵浦光束将被指向沿着二维阵列中的岛的平面)。图49(c)是图示针对这个配置的计算出的发射的强正向指向性的绘图，虽然事实上泵浦光束正在正交方向中传播。如上所述，这个配置可以对于夜视应用特别有利，至少因为泵浦光束可以照亮二维阵列中的所有岛，以及因为泵浦光束和输出光束在空间上分开。
如上所述，可以将泵浦光束限制在包含半导体岛的薄膜支撑物内，并且该薄膜支撑物用作波导。通过聚合物层相对于周围环境的更高的折射率而使泵浦光束的波导成为可能。半导体岛的存在会造成泵浦激光的某种散射。但是，当半导体岛被布置为周期性晶格以形成在本领域中称为光子晶体的结构时，即使这种散射也可以完全被包含在支撑物膜内，该光子晶体支持传播bloch波。这些传播的bloch波被完全限制在平面支撑物内部，如许多出版物所述，例如，j.b.pendry和a.mackinnon的“calculationofphotondispersionrelations”，physicalreviewletters69，2772-2775(1992)；r.s.savelev、d.s.filonov、p.v.kapitanova、a.e.krasnok、a.e.miroshnichenko、p.a.belov和y.s.kivshar的"bendingofelectromagneticwavesinall-dielectricparticlearraywaveguides,"appliedphysicsletters105,181116(2014)；m.bakker、y.f.yu、r.paniagua-domínguez、b.luk’yanchuk和a.i.kuznetsov的"resonantlightguidingalongachainofsiliconnanoparticles,"nanolettersdoi:10.1021/acs.nanolett.7b00381(2017)。
为了进行比较，图50(b)和图50(c)是图示针对以下配置的发射指向性的绘图，其中泵浦光束和信号二者相对于[100]algaas岛的表面法线分别都以45°和0°的角度入射，如图50(a)所示。双45°配置提供了与正交光束配置相似的强的前向指向性，而0°配置在前向方向中产生非常小的发射。
上述数值模拟用于单独半导体岛。但是，数值模拟还证明，当在二维阵列中提供多个半导体岛时，如图51的左侧所示，指向性和sfg效率都可以大大增加。发明人还已经确定，前向sft效率不仅强烈地取决于泵浦和信号光束角，而且还取决于它们的偏振，如图51的右侧所示。
图52包括针对在685nm的阵列晶格周期处的上述algaas岛的二维阵列并且针对以下三种不同偏振配置的随泵浦光束角和信号光束角二者而变化的计算出的前向sfg效率的三个二维绘图：(i)ss偏振泵浦和信号光束(左侧绘图)、(ii)ps偏振泵浦和信号光束(中间绘图)，以及(iii)pp偏振泵浦和信号光束(右侧绘图)。
图53证明了半导体岛的偏振能力。出于与实验演示进行以下比较的目的，示出了针对后向sfg的计算，但是从图50可以看出，前向sfg被期望是非常相似的。这个图的左侧是计算出的效率示图，示出了针对来自上述单独algaas半导体岛的发射的总的后向sfg功率。针对在770nm处的sfg，其中所有光束垂直于半导体岛表面(因此需要将泵浦光束的所反射的部分滤除)，并且针对所指示的泵浦光束偏振和信号光束偏振的组合(hh、hv、vh和vv)，执行计算。这些模拟结果是针对在反射中在alox基板上的来自400nm高和420nm宽的圆柱形algaas纳米圆盘的sfg的结果。
当信号臂和泵浦臂二者的偏振都是v偏振时，观察到最高的sfg变换效率，从而产生水平偏振的输出辐射。图53的右侧示出了针对输入偏振组合的计算出的指向性，示出了所得的sfg辐射图案强烈地取决于信号和泵浦光束偏振。
数值模拟预测的是，当泵浦光束正在垂直于信号光束以及垂直于所得的和频光束传播时，变换效率将显著增加，如图49所示，其中利用fano谐振和使用多个半导体岛的阵列预期进一步增加。
使用图54所示的装置，通过如上所述测量针对alox基板上的圆柱形algaas岛的偏振分辨的sfg变换效率和辐射示图，可以证明上述频率变换设备的功效。86fs长(带宽为80nm)的激光脉冲被分为两条路径：中心波长为1520nm的信号臂和中心波长为1560nm的泵浦臂，如图56所示。重组这两个光束(平均功率为10mw)，并使用0.7na物镜将其聚焦到单独的400nm高以及420nm宽的圆柱形algaas岛上。半波板和四分之一波板(hwp和qwp)被用于控制信号臂和泵浦臂二者中的偏振。
在调整两个臂之间的光学延迟使得信号脉冲和泵浦脉冲二者同时到达半导体岛之后，在反射中(在后向方向中)测量所得的输出辐射，如图55示意性所示。
如图57所示，由于非线性参数波混合，观察到三个谱峰：与sfg对应的在770nm处的一个峰，分别与信号和泵浦二次谐波生成(shg)对应的在760nm和780nm处的另两个峰。
测得的sfg变换效率超过10-6，其中每个光束的入射平均功率约为10mw。sfg功率的所得的值(如在770nm处在ccd相机上以每秒的计数来测量的)如图58所示，并且经由相机和傅立叶成像系统测得的对应的sfg辐射图案在图59中示出。当信号臂和泵浦臂二者的偏振均为v偏振时，实现最高的sfg变换效率，从而提供水平偏振的输出辐射。sfg辐射对信号和泵浦偏振组合的强依赖性与上述数值模拟有良好的一致性。
上面讨论的结果一般是针对单独半导体岛或半导体岛的阵列，其中阵列的每个岛具有相同的配置(即，成分、形状和空间尺寸)。但是，如上所述，半导体岛的阵列可以包括被选择为在不同频率处谐振的不同配置(例如，不同的成分和/或尺寸)的半导体岛。这允许将不同的信号频率映射或变换成不同的输出频率。在被配置用于夜视应用的频率变换设备的情况下，这允许将电磁谱的红外区域中的不同频率映射到不同的输出波长，优选地在电磁谱的可见区域中；即，映射到不同的颜色。常规的夜视设备无法这么做，并且只产生单色图像。
因而，本发明的一些实施例将电磁谱的近红外(nir)区域内的多个频率变换成可见区域中的对应频率。最简单地，可以通过对应地选择半导体岛的横向尺寸(即，在圆柱形岛的情况下是其直径)来选择或调节半导体岛的谐振。例如，图60是多色频率变换设备的示意图，包括具有不同直径的圆柱形半导体岛，这些岛被选择在相应的不同频率ω、ω'、ω”和ω”'处谐振，从而使用单独泵浦频率通过sfg生成相应的不同输出频率ωa、ωb、ωc和ωd的输出辐射，如图60(b)所示。
图61(a)是被配置为在所选择的不同频率处谐振的多色频率变换设备的扫描电子显微镜(sem)图像。该设备包括在玻璃基板上的高度为300nm并且直径为330、370、400和490nm的圆柱形algaas岛的二维阵列。图61(b)和图61(c)分别是模拟的和实验测得的线性谱的曲线图，示出了模拟的和测得的结果之间的良好一致性。如可以看出的，这些圆盘分别在ω＝1250nm、ω'＝1320nm、ω”＝1420nm和ω”'＝1520nm处谐振。因此，这些圆盘可以将nir处的这些波长变换成可见范围处的各种波长。例如，通过shg过程，这些圆盘可以分别地将1250nm变换成625nm、将1320nm变换成660nm、将1420nm变换成710nm以及将1520nm变换成760nm。重要的是，基于应用，这些圆盘的布置可被不同地设计。来自频率变换设备的发射的指向性还取决于半导体岛的配置。因而，各个岛可以被配置为以适当的振幅和大小选择性或优选地被激发，使得包含那些岛的设备的集合输出具有期望的指向性。这可以通过使用数值模拟以探索相关的参数空间来实现，然后制造样机以核实理论预测。指向性的这种工程设计还可以考虑到对应的线性散射，以确保频率变换设备在可见波长处保持透明，从而允许正常视线通过设备以及允许将该频率变换设备堆叠在其它层和/或设备的顶部。
类似地，用于半导体岛的支撑物可以被配置为实现期望的指向性。例如，在夜视设备的情况下，并且尤其是在军事应用中，通常期望的是输出辐射仅朝着检测器、成像传感器或用户的眼睛在前向方向中发射，如图62(a)所示，并且期望的是设备不反射输入信号，从而夜视设备对于其他人不可见。
例如，图62(b)示出了空气中的来自algaas岛的数值模拟sfg辐射图案。虽然输出辐射在前向方向中比在后向方向中强，然而在这些方向中的输出是可比的。但是，如图62(c)所示，通过将岛附接到玻璃基板而不是将这些岛嵌入低折射率材料中，后向方向中的输出辐射被大大衰减。
图63是夜视设备的示意图，其中来自物体的短波红外(swir)辐射穿过透镜到达本文所述的半导体岛阵列，其中swir辐射与泵浦激光束混合，以生成对应的以可见光形式的输出辐射，该输出辐射穿过第二透镜以形成物体的可见图像。
为了形成图像，非线性频率变换对于一定范围的入射角必须是高效的，因为入射信号(swir)图像最终由不同的波向量组成。sfg过程的角度接受度的计算示出，针对algaas岛的阵列的入射角度接受范围为±45°，这对于近轴成像是足够的，诸如图63(b)所示的布置。
频率变换过程本身也可以重现输入光场的一些角度分布，这可以进一步改善视角和成像系统。但是，重要的是要记住，输入图像可以是相干或不相干的swir辐射，因此，要么单独的岛要么阵列晶格效应可以在sfg图像变换中起重要作用。
三种不同的swir辐射源对于夜视是重要的，并且限定了所述夜视设备的不同应用。在sfg的过程中，经频率变换后的光的强度将类似于或小于入射swir光的强度。相比之下，在dfg过程中，可以与频率变换同时实现信号的放大，但是这可能要求泵浦激光功率比sfg过程中使用的功率增加几个数量级。一般而言，经频率变换的输出辐射的强度与泵浦光束和信号光束的强度的乘积成比例。swir光的三种可能的源是：(i)热辐射；(ii)夜光；以及(iii)主动照明，这意味着场景被swir光源(诸如激光器、led或灯)照亮，并且夜视设备检测来自物体的那个swir光的反射。
例如，图68证明了使用如上所述并且被配置用于夜视的频率变换设备的用红外光照亮的物体的成像。在这个示例中，设备包括嵌入在玻璃基板上bcb层中的圆柱形algaas岛。这些岛的高度为300nm，直径为440nm，并且相互间隔开(中心至中心)850nm的间距。如图的左上方图像所示，标准光学测试图像使用标准ccd成像设备通过光学显微镜成像。左上方图像示出了在标准白光照明下物体的视图。右上方图像示出了通过上述频率变换设备观察到的由波长为1550nm的红外光和波长为840nm的泵浦光束照亮的同一物体。从这个图像中，物体的水平和垂直特征是清楚的，该图像处于544nm的波长处。为了确认频率变换设备在生成图像中的作用，除了要么红外照明(左下图像)要么泵浦光束(右下图像)被关闭，在相同的条件下获取了下方图像，这些图像未示出任何可辩别的内容。
如上所述，频率变换设备可以包括被配置为在单独阵列中和/或在不同的阵列中在不同的频率/波长处谐振的半导体岛。对于夜视，或更一般地对于热成像，这样的布置可以用于将不同的红外波长有效地映射到可见谱中的不同颜色。例如，图69是示出来自具有不同配置的两个不同的半导体岛阵列的透射谱的曲线图。两个阵列都是高度为300nm的algaas岛。但是，其中一个阵列具有直径为265nm且间距为850nm的岛，其在1140nm处谐振(如图69所示)，而另一个阵列具有直径为390nm且间距为1000nm的岛，其在1500nm处谐振。
通过将两种岛配置组合在单独频率变换设备中，可以生成不同的颜色。例如，使用波长为840nm的泵浦光束，这两种不同的配置将分别生成与483nm(蓝色)和538nm(绿色)的波长对应的和频，如图70的能级示图中示意性地示出的。对于本领域技术人员而言将清楚的是，通过相应地选择泵浦光束波长和不同的岛配置，可以从不同的输入波长选择性地生成期望的颜色组合。
在不脱离本发明的范围的情况下，许多修改对于本领域技术人员而言将是清楚的。
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