中美科学家联合研发超材料光学器件改进中红贸易

图为扫描电子显微镜图像，显示了沉积在透明衬底上的，经过精心设计成形的硫族玻璃。这些图形被研究人员称为“超原子（meta-atoms）”，它们决定了中红外光穿过材料时的折射情况 据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）联合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拍摄图像的新方法，该方法可应用于包括热成像、生物医学传感和自由空间通信在内的各类应用。

中红外（mid-IR）波段的电磁辐射是光谱中特别有用的部分：它可在黑暗中提供成像，追踪热信号，并可敏感地探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制造，而且应用它们的设别都很专业且高贵。目前，研究人员称，已找到一种高效的、可大规模量产的方法来控制并探测该波段光波。

该成果已发表于Nature Communications期刊，由麻省理工学院的研究员Tian Gu和Juejun Hu，马萨诸塞大学（University of Massachusetts）洛厄尔分校的研究员Hualiang Zhang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1 名研究员共同撰写。

这种新方法使用了由纳米结构光学元件组成的平整人造材料，代替了传统光学镜片中常用的较厚的曲面玻璃透镜。这些纳米结构光学元件可按需提供电磁响应，并使用类似于计算机芯片的制造技术。Gu说：“这种超材料表面（metasurface）可使用标准微加工技术制造，且其制造可以规模扩展。”

Gu补充道：“在可见光和近红外波段，超材料表面光学器件已有卓越表现，但在中红外波段，这方面的发展相当缓慢。”当该研究团队开始这项研究时，他们有能力令这些器件变得非常薄，问题在于：“我们是否还能让这些材料更高效、成本更低”现在，他们成功做到了！

这款新器件使用了一组被称为“超原子”的精确成形的薄膜光学元件，该“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、超薄的超原子结构。这些“超原子”沉积在红外透射的（IR-transparent）氟衬底上并形成图案，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，它们整体可起到透镜作用。另外，这些“超原子”可提供几乎任意的波前操作，这在尺寸更大的天然材料上是无法实现的，同时该材料很薄，因此制造时仅需少量材料。Gu说：“这与传统的光学系统有着本质的区别。”

Gu继续解释道：“该工艺允许我们使用非常简单的制备技术，即通过热蒸发将材料沉积在衬底上。”该团队已经在6英寸晶圆上展示了这种高产能、微加工标准的技术，而且研究团队表明：“我们正在研究更大规模的量产。”

Gu补充说：“这些器件可传输80%的中红外光，且光学效率最高可达75%，比起现有的中红外超光学器件（mid-IR metaoptics）有了显著的改进。”这些器件也比传统红外光学材料更轻、更薄。研究人员使用相同的方法，仅通过改变阵列模式，就可以任意地制造出不同类型的光学器件，主要器件包括简单的光束偏转器，圆柱形或球形透镜，以及复杂的非球面透镜。这些透镜已证明能够以理论锐度最大值聚焦中红外光，也即所谓的衍射极限。

Gu说，这些技术创造了超光学器件（metaoptical devices），这类器件相比传统大尺寸透明材料，能够以更复杂的方式操纵光，这些器件还能控制偏振及其他特性。

中红外光在诸多领域都有着非常重要的地位。研究人员说，中红外光包含了绝大多数分子的特征光谱带，且能有效地穿透大气，因此它是环境监测、军事和工业应用等领域探测各种物质时的关键因素。由于可见光或近红外波段中使用的大部分普通光学材料，对中红外波段的光都是完全不透明的，因此中红外传感器的制作复杂且昂贵。因此，这种新方法将会带来包括消费类传感或成像产品在内的全新潜在应用。

该项研究由美国国防部高级研究计划局（DARPA）极限光学和成像项目以及中国国家自然科学基金共同资助。