Kunstige optiske materialer kan muliggøre billigere, smigre, mere effektive detektorer til nattesyn og andre anvendelser

En ny måde at tage billeder i den mellem-infrarøde del af spektret, udviklet af forskere på MIT og andre steder, kunne muliggøre en lang række applikationer, herunder termisk billeddannelse, biomedicinsk sansning, og fri rumskommunikation.

Midt-infrarødt (midt-IR) bånd af elektromagnetisk stråling er en særlig nyttig del af spektret; det kan give billeddannelse i mørket, spore varmesignaturer, og giver sensitiv detektion af mange biomolekylære og kemiske signaler. Men optiske systemer til dette frekvensbånd har været svære at lave, og enheder, der bruger dem, er meget specialiserede og dyre. Nu, forskerne siger, at de har fundet en yderst effektiv og masseproducerende fremgangsmåde til at kontrollere og detektere disse bølger.

Resultaterne er rapporteret i journalen Naturkommunikation , i et papir af MIT -forskere Tian Gu og Juejun Hu, University of Massachusetts at Lowell -forsker Hualiang Zhang, og 13 andre på MIT, University of Electronic Science and Technology of China, og East China Normal University.

Den nye tilgang bruger en flad, kunstigt materiale sammensat af nanostrukturerede optiske elementer, i stedet for den sædvanlige tykke, buede glaslinser, der bruges i konventionel optik. Disse elementer leverer on-demand elektromagnetiske reaktioner og fremstilles ved hjælp af teknikker, der ligner dem, der bruges til computerchips. "Denne form for metaoverflade kan laves ved hjælp af standard mikrofabrikationsteknikker, "Gu siger." Fremstillingen er skalerbar. "

Han tilføjer, at "der har været bemærkelsesværdige demonstrationer af metasurface-optik i synligt lys og nær-infrarød, men i midten af ​​infrarødt bevæger det sig langsomt. "Da de begyndte denne forskning, han siger, spørgsmålet var, da de kunne gøre disse enheder ekstremt tynde, "Kan vi også gøre dem effektive og billige?" Det er, hvad teammedlemmerne siger, at de nu har opnået.

Den nye enhed bruger en vifte af præcist formede tynde filmoptiske elementer kaldet "meta-atomer" lavet af chalcogenidlegering, som har et højt brydningsindeks, der kan danne højtydende, ultratynde strukturer kaldet meta-atomer. Disse meta-atomer, med former, der ligner blokbogstaver som I eller H, deponeres og mønstres på et IR-transparent substrat af fluorid. De små former har tykkelser, der er en brøkdel af bølgelængderne af det lys, der observeres, og samlet kan de fungere som en linse. De giver næsten vilkårlig bølgefrontmanipulation, der ikke er mulig med naturlige materialer i større skalaer, men de har en lille brøkdel af tykkelsen, og der er således kun brug for en lille mængde materiale. "Det er fundamentalt anderledes end konventionel optik, " han siger.

Processen "giver os mulighed for at bruge meget enkle fremstillingsteknikker, "Gu forklarer, ved termisk fordampning af materialet på substratet. De har demonstreret teknikken på 6-tommer wafers med høj kapacitet, en standard inden for mikrofabrikation, og "vi ser på endnu større produktion."

Enhederne sender 80 procent af mid-IR-lyset med optiske effektiviteter op til 75 procent, repræsenterer en betydelig forbedring i forhold til eksisterende mid-IR metaoptik, Gu siger. De kan også gøres langt lettere og tyndere end konventionel IR -optik. Ved hjælp af den samme metode, ved at variere mønsteret i arrayet kan forskerne vilkårligt producere forskellige typer optiske enheder, herunder en simpel stråledeflektor, en cylindrisk eller sfærisk linse, og komplekse asfæriske linser. Linserne er demonstreret til at fokusere midt-IR-lys med den maksimalt teoretisk mulige skarphed, kendt som diffraktionsgrænsen.

Disse teknikker tillader oprettelse af metaoptiske enheder, som kan manipulere lys på mere komplekse måder end hvad der kan opnås ved hjælp af konventionelle bulkgennemsigtige materialer, Gu siger. Enhederne kan også styre polarisering og andre egenskaber.

Mid-IR lys er vigtigt på mange områder. Den indeholder de karakteristiske spektralbånd for de fleste typer molekyler, og trænger effektivt ind i atmosfæren, så det er nøglen til at opdage en lang række stoffer, f.eks. i miljøovervågning, såvel som til militære og industrielle anvendelser, siger forskerne. Da de fleste almindelige optiske materialer, der bruges i de synlige eller nær-infrarøde bånd, er totalt uigennemsigtige for disse bølgelængder, mid-IR sensorer har været komplekse og dyre at lave. Så den nye tilgang kunne åbne op for helt nye potentielle applikationer, herunder i forbrugsdetekterings- eller billeddannelsesprodukter Gu siger.