中美兩國學者攜手改進中紅外光探測成像技術

麻省理工學院和中國的多所大學合作，用人造光學材料開發出一種用中紅外波長探測成像的新技術，可以廣泛用於熱成像、生物醫學感測和自由空間通訊領域。同時他們也研發出配套的光學設備，與傳統光學器件相比，不但在工作模式上更顯智能高效，在生產製造中也解決了製造難、價高和量產難等一系列難題。

電磁輻射的中紅外波是頻譜中特別有用的部分，它囊括了大多數分子的特徵光譜帶，並能有效地穿透大氣，所以它是檢測各種物質的關鍵，在環境監測、軍事以及工業領域有諸多應用。但用於可見或近紅外波段的大多數普通光學材料對這些波長是完全不透過的，因此中紅外感測器製造起來也格外複雜而且燒錢。但現在麻省理工的研究人員已經找到了一種高效並且可批量製造的方法來調控並檢測這些波。

傳統光學器件用的鏡片通常都是很厚的彎曲玻璃鏡片，這會使設備略顯笨重並且不易批量製造。但科研人員另闢蹊徑，他們找到了能夠替代厚鏡片的方法，用一種納米光學元件構成的人造扁平材料達到同樣的成像效果。這些光學元件的製造技術類似於計算機晶元的成型技術，它能對電磁信號產生響應，進而把信號傳輸出去成像。

研究人員Tian Gu說：「這種光學元件其實是一系列納米尺度的薄膜，我們稱它為元原子，它們可由常規的微製造技術製造，所以量產化不是難題。目前我們用這種元原子做了一些光學器件並進行了測試，測試結果表明它在檢測可見光和近紅外波段的表現非常優異，在中紅外波段的檢測情況稍弱，但我們一直在改進。」

這些元原子由硫系合金製成，具有很高的折射率。它們可以在透明的氟化物基底上沉積出一些圖案，比如塊狀字母I或者H，這種圖案其實也是一種超薄結構，它的形狀能夠決定中紅外光在通過材料時的彎曲形式。它們的厚度很薄，只佔所需觀察的光波長的很小一部分，但是卻可以像鏡頭一樣把所需的光波都「捕捉」下來。

元原子的形狀能夠決定中紅外光在通過材料時的彎曲形式（圖片來源：麻省理工學院）

通常光在傳輸的過程中會經過不同的介質，由於各種介質構成的物質分布不均勻，從而導致光的波前產生各種各樣的變化，所以就需要一個很棒的感測器，能夠精確地檢測到波前的畸變信息，反饋給波前校正系統以補償畸變。這些工作對用傳統材料製成的光學器件來說是很難做到的，但這些光原子卻能完成幾乎所有你能想到的波前操作，它為我們提供了一種自適應光學系統，這和傳統光學元件有著根本區別。並且因為這種結構很薄，它對材料的用量也很少。

整個超薄結構的製備過程其實非常簡單，他們只是將材料熱蒸發到氟化物基底上，用微製造技術製成6英寸左右的晶片，這種晶片對所需波長的光線透過率特別好。目前研究成員正在試圖制出更大尺寸的晶片。

這種晶片對中紅外光的透過性有多好？研究人員Tian Gu說：「我們的設備可以傳輸80％的中紅外光，光學效率高達75％，與現有的中紅外光學元件相比有顯著的提高。並且它們還比傳統的紅外光學器件更輕，更薄。雖然目前我們只做了字母I和H 型的設備，但用同樣的方法我們可以改變陣列形狀，制出其他類型的光學器件，比如光束偏轉器、圓柱或球面透鏡以及複雜的非球面透鏡之類的應用。這些透鏡在理論上可以聚焦中紅外光得到最大的銳度值，達到中紅外光的衍射極限，我們的設備可以使我們更容易實現這一步。

「除了以上優勢，我們的光學器件也比使用傳統透明塊材的光學器件更智能，我們可以對光進行複雜操控，控制光的偏振或者其他屬性。」

中紅外光在很多領域都很重要，它包含著非常多信息，可以幫助我們在黑暗中成像、追蹤熱量特徵或者是靈敏地探測生物分子和化學信號。一直以來，探測中紅外波頻帶的光學系統難以推廣，因為它需要用到的設備非常專業而且昂貴。但這種新方法通過另闢蹊徑，很好地解決了這些問題，並且開闢出一些新領域的應用，比如消費類感測器或之類的成像產品。

這項研究屬於極端光學成像項目，由國防高級研究計劃局（DARPA）和中國國家自然科學基金會資助。他們的研究結果發表在《Nature Communications》期刊上，工作由麻省理工學院的研究人員Tian Gu和Juejun Hu，馬薩諸塞大學盧維爾分校研究員Hualiang Zhang和其他13名來自電子科技大學、中國科技大學和華東師範大學的研究人員完成。

文章來源於MIT網站，由材料新聞科技在線團隊編譯，原文標題為Improving mid-infrared imaging and sensing.

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