马萨诸塞州剑桥 - 麻省理工学院和其他地方的研究人员开发的一种在中红外部分拍摄图像的新方法可以实现多种应用，包括热成像，生物医学传感和自由空间通信。
电磁辐射的中红外（中红外）频带是频谱中特别有用的部分;它可以在黑暗中提供成像，追踪热量特征，并提供许多生物分子和化学信号的灵敏检测。但是这个频段的光学系统很难制造，而使用它们的设备则非常专业化且昂贵。现在，研究人员表示，他们已经找到了一种高效且可批量制造的方法来控制和检测这些波。
研究结果在Nature Communications杂志上发表，麻省理工学院的研究员Tian Gu和胡爵军在洛厄尔研究员张华良等人的论文以及麻省理工学院，中国电子科技大学和东方电气中国师范大学。
这种新方法使用由纳米结构光学元件组成的扁平人造材料，而不是常规光学中常用的厚的弯曲玻璃镜片。这些元件提供按需电磁响应，并且使用与用于计算机芯片的技术类似的技术制造。 Gu说：“这种转换面可以使用标准的微制造技术制造。 “制造业是可扩展的。”
他补充说：“可见光和近红外中的表面光学元件已经有了显着的证明，但在中红外光线下，它正在缓慢移动。”他说，当他们开始这项研究时，问题是，因为他们可以使这些设备变得非常薄，“我们是否也可以使它们高效且低成本？”这就是团队成员说他们现在已经取得的成就。
新器件采用一系列精确成型的薄膜光学元件，称为“元原子”，由硫族化物合金制成，具有高折射率，可形成高性能，称为超原子的超薄结构。这些具有类似块状字母I或H的形状的原子在氟化物的IR透明基底上沉积并图案化。这些微小的形状的厚度只是所观察到的光的波长的一小部分，并且它们可以像镜头一样表现出来。它们提供了几乎任意的波前操作，这对大规模的天然材料来说是不可能的，但它们只有很小的一部分厚度，因此只需要很少量的材料。 “它与传统的光学元件有着根本的区别，”他说。
该过程“使我们能够使用非常简单的制造技术”，Gu解释说，通过将材料热蒸发到基底上。他们已经展示了高通量6英寸晶圆的技术，这是微细加工的标准，“我们正在寻求更大规模的制造。”
Gu说，这些设备可以传输80％的中红外光，光学效率高达75％，与现有的中红外光学元件相比，显着改善。它们也可以做得比传统的红外光学器件更轻，更薄。使用相同的方法，通过改变阵列的图案，研究人员可以任意生产不同类型的光学器件，包括简单的光束偏转器，圆柱或球面透镜以及复杂的非球面透镜。已经证明这些透镜将中红外光集中在理论上可能的最大锐度上，即所谓的衍射极限。
Gu说，这些技术允许创建光学器件，它可以以比使用传统的散装透明材料可以实现的更复杂的方式操纵光。该设备还可以控制偏振和其他属性。
中红外光在很多领域都很重要。研究人员说，它包含大多数类型分子的特征光谱带，并有效地穿透大气，所以它是检测各种物质的关键，如环境监测以及军事和工业应用。由于用于可见或近红外波段的大多数普通光学材料对这些波长是完全不透明的，所以中红外传感器制造起来复杂且昂贵。因此，这种新方法可以开辟全新的潜在应用，包括消费类传感或成像产品，Gu说。
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该研究由国防高级研究计划局（DARPA）资助，隶属于极端光学和成像计划以及国家自然科学基金会。 |
