改進中紅外成像和傳感，中美科學家聯合研發超材料光學器件

圖為掃描電子顯微鏡圖像，顯示了沉積在透明襯底上的，經過精心設計成形的硫族玻璃。這些圖形被研究人員稱為“超原子（meta-atoms）”，它們決定了中紅外光穿過材料時的折射情況

據麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）聯合其他地區的研究人員共同開發了一種利用中紅外波段光譜拍攝圖像的新方法，該方法可應用于包括熱成像、生物醫學傳感和自由空間通信在內的各類應用。

中紅外（mid-IR）波段的電磁放射是光譜中特別有用的部分：它可在黑暗中提供成像，追蹤熱信號，并可敏感地探測許多生物分子和化學信號。但是該頻率波段的光學系統很難制造，而且應用它們的設別都很專業且高貴。目前，研究人員稱，已找到一種的、可大規模量產的方法來控制并探測該波段光波。

該成果已發表于Nature Communications期刊，由麻省理工學院的研究員Tian Gu和Juejun Hu，馬薩諸塞大學（University of Massachusetts）洛厄爾分校的研究員Hualiang Zhang和來自麻省理工學院、中國電子科學技術大學以及華東師范大學的其他13名研究員共同撰寫。

這種新方法使用了由納米結構光學元件組成的平整人造材料，代替了傳統光學鏡片中常用的較厚的曲面玻璃透鏡。這些納米結構光學元件可按需提供電磁響應，并使用類似于計算機芯片的制造技術。Gu說：“這種超材料表面（metasurface）可使用標準微加工技術制造，且其制造可以規模擴展。”

Gu補充道：“在可見光和近紅外波段，超材料表面光學器件已有表現，但在中紅外波段，這方面的發展相當緩慢。”當該研究團隊開始這項研究時，他們有能力令這些器件變得非常薄，問題在于：“我們是否還能讓這些材料更、成本更低”現在，他們成功做到了！

這款新器件使用了一組被稱為“超原子”的成形的薄膜光學元件，該“超原子”由硫族化合物合金制成，具有很高的折射率，可形成高性能、超薄的超原子結構。這些“超原子”沉積在紅外透射的（IR-transparent）氟襯底上并形成圖案，形狀類似于I或H這樣的字母。同時，這些微小結構的厚度僅為被觀測光波的幾分之一，它們整體可起到透鏡作用。另外，這些“超原子”可提供幾乎任意的波前操作，這在尺寸更大的天然材料上是無法實現的，同時該材料很薄，因此制造時僅需少量材料。Gu說：“這與傳統的光學系統有著本質的區別。”

Gu繼續解釋道：“該工藝允許我們使用非常簡單的制備技術，即通過熱蒸發將材料沉積在襯底上。”該團隊已經在6英寸晶圓上展示了這種高產能、微加工標準的技術，而且研究團隊表明：“我們正在研究更大規模的量產。”

Gu補充說：“這些器件可傳輸80%的中紅外光，且光學效率高可達75%，比起現有的中紅外超光學器件（mid-IR metaoptics）有了顯著的改進。”這些器件也比傳統紅外光學材料更輕、更薄。研究人員使用相同的方法，僅通過改變陣列模式，就可以任意地制造出不同類型的光學器件，主要器件包括簡單的光束偏轉器，圓柱形或球形透鏡，以及復雜的非球面透鏡。這些透鏡已證明能夠以理論銳度大值聚焦中紅外光，也即所謂的衍射極限。

Gu說，這些技術創造了超光學器件（metaoptical devices），這類器件相比傳統大尺寸透明材料，能夠以更復雜的方式操縱光，這些器件還能控制偏振及其他特性。

中紅外光在諸多領域都有著非常重要的地位。研究人員說，中紅外光包含了絕大多數分子的特征光譜帶，且能有效地穿透大氣，因此它是環境監測、軍事和工業應用等領域探測各種物質時的關鍵因素。由于可見光或近紅外波段中使用的大部分普通光學材料，對中紅外波段的光都是*不透明的，因此中紅外傳感器的制作復雜且昂貴。因此，這種新方法將會帶來包括消費類傳感或成像產品在內的全新潛在應用。

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該項研究由美國國防部研究計劃局（DARPA）極限光學和成像項目以及中國國家自然科學基金共同資助。