可用于制作高性能新型探测器的人造光学材料

来自麻省理工学院和一些其他研究机构的研究人员开发的一种新的方法，在光谱的中红外部分拍摄图像，可以实现各种各样的应用，包括热成像、生物医学传感和自由空间通信。

中红外(mid-IR)波段的电磁辐射是光谱的一个特别有用的部分，它可以提供在黑暗中的成像，跟踪热签名，并提供了许多生物分子和化学信号的敏感检测。但是这种频段的光学系统很难制造，使用它们的设备是高度专业化和昂贵的。现在，研究人员说他们已经找到了一种高效和大规模制造的方法来控制和检测这些波。

研究结果发表在《自然通讯Nature Communications》杂志上，这篇论文的研究人员包括的的研究人员有麻省理工学院的Tian Gu和Juejun Hu以及马萨诸塞大学的Hualiang Zhang，还有麻省理工学院的其它13个人，中国电子科技大学和华东师范大学。

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上图所示是研究人员获得的一个扫描电子显微镜图像，显示了一些研究人员精心设计的硫系玻璃的形状，沉积在一个清晰的基板上。研究人员称之为“元原子”的形状决定了当红外线穿过材料时是如何产生弯曲的。图片来源：麻省理工学院

这一新的方法使用一种由纳米结构光学元件组成的平坦的人工材料，而不是传统光学中常用的厚的、弯曲的玻璃透镜。这些元件提供按需电磁响应，并使用类似于计算机芯片的技术来制造。Gu说，“这种微结构可以用标准的微细加工技术来制造。并且是可以规模化生产的。”

他补充说：“在可见光和近红外波段，有明显的金属表面光学演示，但在中红外中，它移动缓慢。”当他们开始这项研究时，他说，“问题是，因为它们可以使这些装置变得非常薄，我们能否使它们既有效又低成本呢”这就是团队成员所说的。

新的装置使用一种由硫属化物合金制成的被称为“元原子”，具有精确形状的薄膜光学元件阵列，其具有高折射率，可以形成高性能的超薄结构，称为元原子。这些具有类似于I或H的块状的形状的元原子被沉积并图案化在氟的红外透明基片上。这些微小形状的厚度是被观察到的光的波长的一小部分，总体上它们可以像透镜一样进行。它们提供了几乎任意的波阵面操控，在较大的尺度下自然材料中这是不可能实现的，但是它们有一小部分的厚度，因此只需要少量的材料。这与传统光学具有根本的区别，”他说。

这个过程“允许我们使用非常简单的制造技术，”Gu解释说，通过将材料热蒸发到衬底上。他们已经在6英寸晶片上展示了高通量的技术，这是微细加工的标准，我们正在研究更大规模的制造。”

Gu说，这些器件传输80%的中红外光，其光学效率高达75%，代表了现有的中红外分光光度法的显著改进。它们也可以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，研究人员可以任意地产生不同类型的光学器件，包括简单的光束偏转器、圆柱形或球面透镜和复杂的非球面透镜。这些透镜已经被描述为聚焦中红外光，实现理论上最大可能的锐度，称为衍射极限。

Gu说，这些技术允许研究创建元光学器件，其可以比传统的块状透明材料所能实现的更复杂的方式操作光。该装置还可以控制偏振和其他特性。

中红外光源在许多领域都很重要。它包含了大多数类型分子的特征光谱带，并有效地穿透大气，因此它是检测诸如环境监测、军事和工业应用等各种物质的关键。由于在可见光或近红外波段中使用的大多数普通光学材料对这些波长是完全不透明的，所以中红外传感器是复杂和昂贵的。Gu说，这种新的方法可以开拓全新的潜在应用，包括消费级别的传感或成像产品。

原文来源：https://phys.org/news/2018-04-artificial-optical-materials-cheaper-flatter.html（实验帮译）

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