中美科学家联合研发超材料光学器件改进中红外成像和传感

本文摘要：图为扫瞄电子显微镜图像，表明了沉积在半透明衬底上的，经过精心设计成形的硫族玻璃。这些图形被研究人员称作“超强原子（meta-atoms）”，它们要求了中红外光穿越材料时的反射情况据麦姆斯咨询报导，麻省理工学院（MIT）牵头其他地区的研究人员共同开发了一种利用中红外波段光谱摄制图像的新方法，该方法可应用于还包括热光学、生物医学传感和权利空间通信在内的各类应用于。

图为扫瞄电子显微镜图像，表明了沉积在半透明衬底上的，经过精心设计成形的硫族玻璃。这些图形被研究人员称作“超强原子（meta-atoms）”，它们要求了中红外光穿越材料时的反射情况据麦姆斯咨询报导，麻省理工学院（MIT）牵头其他地区的研究人员共同开发了一种利用中红外波段光谱摄制图像的新方法，该方法可应用于还包括热光学、生物医学传感和权利空间通信在内的各类应用于。中红外（mid-IR）波段的电磁辐射是光谱中尤其简单的部分：它可在黑暗中获取光学，跟踪热信号，并可脆弱地观测许多生物分子和化学信号。但是该频率波段的光学系统很难生产，而且应用于它们的设别都很专业且尊贵。

目前，研究人员称之为，已寻找一种高效的、可大规模量产的方法来掌控并观测该波段光波。该成果已公开发表于NatureCommunications期刊，由麻省理工学院的研究员TianGu和JuejunHu，马萨诸塞大学（UniversityofMassachusetts）洛厄尔分校的研究员HualiangZhang和来自麻省理工学院、中国电子科学技术大学以及华东师范大学的其他13名研究员联合编写。

这种新方法用于了由纳米结构光学元件构成的平坦人造材料，替换了传统光学镜片中常用的坚硬的曲面玻璃透镜。这些纳米结构光学元件可按须要获取电磁号召，并用于类似于计算机芯片的生产技术。Gu说道：“这种超强材料表面（metasurface）可用于标准微加工技术生产，且其生产可以规模拓展。

”Gu补足道：“在红外线和近红外波段，超强材料表面光学器件有数卓越展现出，但在中红外波段，这方面的发展非常较慢。”当该研究团队开始这项研究时，他们有能力令其这些器件显得十分厚，问题在于：“我们否还能让这些材料更加高效、成本更加较低”现在，他们顺利做了！这款新的器件用于了一组被称作“超强原子”的准确成形的薄膜光学元件，该“超强原子”由硫族化合物合金做成，具备很高的折射率，可构成高性能、超薄的超强原子结构。

这些“超强原子”沉积在红外入射的（IR-transparent）氟衬底上并构成图案，形状类似于I或H这样的字母。同时，这些微小结构的厚度仅为被观测光波的几分之一，它们整体可起着透镜起到。另外，这些“超强原子”可获取完全给定的波前操作者，这在尺寸更大的天然材料上是无法构建的，同时该材料外壳，因此生产时仅有须要少量材料。

Gu说道：“这与传统的光学系统具有本质的区别。”Gu之后说明道：“该工艺容许我们用于非常简单的制取技术，即通过热冷却将材料沉积在衬底上。”该团队早已在6英寸晶圆上展出了这种高产能、微加工标准的技术，而且研究团队指出：“我们正在研究更加大规模的量产。”Gu补足说道：“这些器件可传输80%的中红外光，且光学效率最低平均75%，相比现有的中红外超强光学器件（mid-IRmetaoptics）有了明显的改良。

”这些器件也比传统红外光学材料更加重、更加厚。研究人员用于完全相同的方法，仅有通过转变阵列模式，就可以给定地生产出有有所不同类型的光学器件，主要器件还包括非常简单的光束转动器，圆柱形或球形透镜，以及简单的非球面透镜。这些透镜已证明需要以理论锐度最大值探讨中红外光，也即所谓的散射无限大。

Gu说道，这些技术建构了超强光学器件（metaopticaldevices），这类器件比起传统大尺寸半透明材料，需要以更加简单的方式操控光，这些器件还能掌控偏振及其他特性。中红外光在诸多领域都具有十分最重要的地位。

研究人员说道，中红外光包括了绝大多数分子的特征光谱带上，且能有效地击穿大气，因此它是环境监测、军事和工业应用于等领域观测各种物质时的关键因素。由于红外线或近红外波段中用于的大部分普通光学材料，对中红外波段的光都是几乎不半透明的，因此中红外传感器的制作简单且便宜。因此，这种新方法将不会带给还包括消费类传感或光学产品在内的全新潜在应用于。

该项研究由美国国防部高级研究计划局（DARPA）无限大光学和光学项目以及中国国家自然科学基金联合资助。

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