圖為掃描電子顯微鏡圖像，顯示了沉積在透明襯底上的，經(jīng)過精心設(shè)計成形的硫族玻璃。這些圖形被研究人員稱為“超原子（meta-atoms）”，它們決定了中紅外光穿過材料時的折射情況

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學(xué)院（MIT）聯(lián)合其他地區(qū)的研究人員共同開發(fā)了一種利用中紅外波段光譜拍攝圖像的新方法，該方法可應(yīng)用于包括熱成像、生物醫(yī)學(xué)傳感和自由空間通信在內(nèi)的各類應(yīng)用。

中紅外（mid-IR）波段的電磁放射是光譜中特別有用的部分：它可在黑暗中提供成像，追蹤熱信號，并可敏感地探測許多生物分子和化學(xué)信號。但是該頻率波段的光學(xué)系統(tǒng)很難制造，而且應(yīng)用它們的設(shè)別都很專業(yè)且高貴。目前，研究人員稱，已找到一種的、可大規(guī)模量產(chǎn)的方法來控制并探測該波段光波。

該成果已發(fā)表于Nature Communications期刊，由麻省理工學(xué)院的研究員Tian Gu和Juejun Hu，馬薩諸塞大學(xué)（University of Massachusetts）洛厄爾分校的研究員Hualiang Zhang和來自麻省理工學(xué)院、中國電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及華東師范大學(xué)的其他13名研究員共同撰寫。

這種新方法使用了由納米結(jié)構(gòu)光學(xué)元件組成的平整人造材料，代替了傳統(tǒng)光學(xué)鏡片中常用的較厚的曲面玻璃透鏡。這些納米結(jié)構(gòu)光學(xué)元件可按需提供電磁響應(yīng)，并使用類似于計算機芯片的制造技術(shù)。Gu說：“這種超材料表面（metasurface）可使用標(biāo)準(zhǔn)微加工技術(shù)制造，且其制造可以規(guī)模擴展。”

Gu補充道：“在可見光和近紅外波段，超材料表面光學(xué)器件已有表現(xiàn)，但在中紅外波段，這方面的發(fā)展相當(dāng)緩慢。”當(dāng)該研究團隊開始這項研究時，他們有能力令這些器件變得非常薄，問題在于：“我們是否還能讓這些材料更、成本更低”現(xiàn)在，他們成功做到了！

這款新器件使用了一組被稱為“超原子”的成形的薄膜光學(xué)元件，該“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、超薄的超原子結(jié)構(gòu)。這些“超原子”沉積在紅外透射的（IR-transparent）氟襯底上并形成圖案，形狀類似于I或H這樣的字母。同時，這些微小結(jié)構(gòu)的厚度僅為被觀測光波的幾分之一，它們整體可起到透鏡作用。另外，這些“超原子”可提供幾乎任意的波前操作，這在尺寸更大的天然材料上是無法實現(xiàn)的，同時該材料很薄，因此制造時僅需少量材料。Gu說：“這與傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。”

Gu繼續(xù)解釋道：“該工藝允許我們使用非常簡單的制備技術(shù)，即通過熱蒸發(fā)將材料沉積在襯底上。”該團隊已經(jīng)在6英寸晶圓上展示了這種高產(chǎn)能、微加工標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，而且研究團隊表明：“我們正在研究更大規(guī)模的量產(chǎn)。”

Gu補充說：“這些器件可傳輸80%的中紅外光，且光學(xué)效率高可達(dá)75%，比起現(xiàn)有的中紅外超光學(xué)器件（mid-IR metaoptics）有了顯著的改進(jìn)。”這些器件也比傳統(tǒng)紅外光學(xué)材料更輕、更薄。研究人員使用相同的方法，僅通過改變陣列模式，就可以任意地制造出不同類型的光學(xué)器件，主要器件包括簡單的光束偏轉(zhuǎn)器，圓柱形或球形透鏡，以及復(fù)雜的非球面透鏡。這些透鏡已證明能夠以理論銳度大值聚焦中紅外光，也即所謂的衍射極限。

Gu說，這些技術(shù)創(chuàng)造了超光學(xué)器件（metaoptical devices），這類器件相比傳統(tǒng)大尺寸透明材料，能夠以更復(fù)雜的方式操縱光，這些器件還能控制偏振及其他特性。

中紅外光在諸多領(lǐng)域都有著非常重要的地位。研究人員說，中紅外光包含了絕大多數(shù)分子的特征光譜帶，且能有效地穿透大氣，因此它是環(huán)境監(jiān)測、軍事和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域探測各種物質(zhì)時的關(guān)鍵因素。由于可見光或近紅外波段中使用的大部分普通光學(xué)材料，對中紅外波段的光都是*不透明的，因此中紅外傳感器的制作復(fù)雜且昂貴。因此，這種新方法將會帶來包括消費類傳感或成像產(chǎn)品在內(nèi)的全新潛在應(yīng)用。

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該項研究由美國國防部研究計劃局（DARPA）極限光學(xué)和成像項目以及中國國家自然科學(xué)基金共同資助。