可用於製作高性能新型探測器的人造光學材料

上圖所示是研究人員獲得的一個掃描電子顯微鏡圖像，顯示了一些研究人員精心設計的硫系玻璃的形狀，沉積在一個清晰的基板上。研究人員稱之為「元原子」的形狀決定了當紅外線穿過材料時是如何產生彎曲的。圖片來源：麻省理工學院

來自麻省理工學院和一些其他研究機構的研究人員開發的一種新的方法，在光譜的中紅外部分拍攝圖像，可以實現各種各樣的應用，包括熱成像、生物醫學感測和自由空間通信。

中紅外(mid-IR)波段的電磁輻射是光譜的一個特別有用的部分，它可以提供在黑暗中的成像，跟蹤熱簽名，並提供了許多生物分子和化學信號的敏感檢測。但是這種頻段的光學系統很難製造，使用它們的設備是高度專業化和昂貴的。現在，研究人員說他們已經找到了一種高效和大規模製造的方法來控制和檢測這些波。

研究結果發表在《自然通訊Nature Communications》雜誌上，這篇論文的研究人員包括的的研究人員有麻省理工學院的Tian Gu和Juejun Hu以及馬薩諸塞大學的Hualiang Zhang，還有麻省理工學院的其它13個人，中國電子科技大學和華東師範大學。

這一新的方法使用一種由納米結構光學元件組成的平坦的人工材料，而不是傳統光學中常用的厚的、彎曲的玻璃透鏡。這些元件提供按需電磁響應，並使用類似於計算機晶元的技術來製造。Gu說，「這種微結構可以用標準的微細加工技術來製造。並且是可以規模化生產的。」

他補充說：「在可見光和近紅外波段，有明顯的金屬表面光學演示，但在中紅外中，它移動緩慢。」當他們開始這項研究時，他說，「問題是，因為它們可以使這些裝置變得非常薄，我們能否使它們既有效又低成本呢」這就是團隊成員所說的。

新的裝置使用一種由硫屬化物合金製成的被稱為「元原子」，具有精確形狀的薄膜光學元件陣列，其具有高折射率，可以形成高性能的超薄結構，稱為元原子。這些具有類似於I或H的塊狀的形狀的元原子被沉積並圖案化在氟的紅外透明基片上。這些微小形狀的厚度是被觀察到的光的波長的一小部分，總體上它們可以像透鏡一樣進行。它們提供了幾乎任意的波陣面操控，在較大的尺度下自然材料中這是不可能實現的，但是它們有一小部分的厚度，因此只需要少量的材料。這與傳統光學具有根本的區別，」他說。

這個過程「允許我們使用非常簡單的製造技術，」Gu解釋說，通過將材料熱蒸發到襯底上。他們已經在6英寸晶片上展示了高通量的技術，這是微細加工的標準，我們正在研究更大規模的製造。」

Gu說，這些器件傳輸80%的中紅外光，其光學效率高達75%，代表了現有的中紅外分光光度法的顯著改進。它們也可以比傳統的紅外光學器件更輕、更薄。使用相同的方法，通過改變陣列的圖案，研究人員可以任意地產生不同類型的光學器件，包括簡單的光束偏轉器、圓柱形或球面透鏡和複雜的非球面透鏡。這些透鏡已經被描述為聚焦中紅外光，實現理論上最大可能的銳度，稱為衍射極限。

Gu說，這些技術允許研究創建元光學器件，其可以比傳統的塊狀透明材料所能實現的更複雜的方式操作光。該裝置還可以控制偏振和其他特性。

中紅外光源在許多領域都很重要。它包含了大多數類型分子的特徵光譜帶，並有效地穿透大氣，因此它是檢測諸如環境監測、軍事和工業應用等各種物質的關鍵。由於在可見光或近紅外波段中使用的大多數普通光學材料對這些波長是完全不透明的，所以中紅外感測器是複雜和昂貴的。Gu說，這種新的方法可以開拓全新的潛在應用，包括消費級別的感測或成像產品。

來源：https://phys.org/news/2018-04-artificial-optical-materials-cheaper-flatter.html

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