Средний инфракрасный (средний ИК) диапазон электромагнитного излучения является особенно полезной частью спектра; он может обеспечивать визуализацию в темноте, отслеживать тепловые сигнатуры и обеспечивать чувствительное обнаружение многих биомолекулярных и химических сигналов. Но оптические системы для этого диапазона частот создать сложно, а устройства, использующие их, являются узкоспециализированными и дорогими. Теперь исследователи говорят, что они нашли высокоэффективный и пригодный для массового производства подход к контролю и обнаружению этих волн.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications, в статье исследователей Массачусетского технологического института Тянь Гу и Цзюэцзюнь Ху, исследователя из Массачусетского университета в Лоуэлле Хуаляна Чжана и еще 13 человек из Массачусетского технологического института, Университета электронных наук и технологий Китая и Востока. Китайский педагогический университет.
В новом подходе используется плоский искусственный материал, состоящий из наноструктурированных оптических элементов, вместо обычных толстых линз из изогнутого стекла, используемых в традиционной оптике. Эти элементы обеспечивают электромагнитные отклики по запросу и изготавливаются с использованием технологий, аналогичных тем, которые используются для компьютерных микросхем. «Такой тип метаповерхности может быть изготовлен с использованием стандартных методов микротехнологии», — говорит Гу. «Производство масштабируемо».Он добавляет, что «были замечательные демонстрации метаповерхностной оптики в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне, но в среднем инфракрасном диапазоне он движется медленно». По его словам, когда они начали это исследование, возник вопрос, поскольку они могут сделать эти устройства чрезвычайно тонкими, «можем ли мы также сделать их эффективными и недорогими?» Вот чего, по словам членов команды, они сейчас достигли.
В новом устройстве используется массив тонкопленочных оптических элементов точной формы, называемых «метаатомами», изготовленных из халькогенидного сплава, который имеет высокий показатель преломления, который может формировать высокоэффективные ультратонкие структуры, называемые метаатомами. Эти метаатомы, формы которых напоминают печатные буквы, такие как I или H, нанесены и нанесены на прозрачную для ИК-диапазона подложку из фторида.
Крошечные формы имеют толщину, составляющую часть длины волны наблюдаемого света, и в совокупности они могут действовать как линзы. Они обеспечивают почти произвольное манипулирование волновым фронтом, которое невозможно с натуральными материалами в больших масштабах, но они имеют крошечную долю толщины, и, следовательно, требуется лишь крошечное количество материала. «Это принципиально отличается от обычной оптики», — говорит он.Процесс «позволяет нам использовать очень простые технологии изготовления», объясняет Гу, путем термического испарения материала на подложку.
Они продемонстрировали эту технику на 6-дюймовых пластинах с высокой производительностью, что является стандартом в микротехнологии, и «мы смотрим на еще более крупное производство».По словам Гу, устройства пропускают 80 процентов света среднего ИК-диапазона с оптической эффективностью до 75 процентов, что является значительным улучшением по сравнению с существующими метаоптиками среднего ИК-диапазона. Их также можно сделать намного легче и тоньше, чем обычная ИК-оптика.
Используя тот же метод, варьируя структуру массива, исследователи могут произвольно создавать различные типы оптических устройств, включая простой дефлектор луча, цилиндрическую или сферическую линзу и сложные асферические линзы. Было продемонстрировано, что линзы фокусируют средний ИК-свет с максимально теоретически возможной резкостью, известной как дифракционный предел.
Эти методы позволяют создавать метаоптические устройства, которые могут управлять светом более сложными способами, чем те, которые могут быть достигнуты с использованием обычных объемных прозрачных материалов, говорит Гу. Устройства также могут управлять поляризацией и другими свойствами.Средний ИК-свет важен во многих областях. Исследователи говорят, что он содержит характерные спектральные полосы большинства типов молекул и эффективно проникает в атмосферу, поэтому он является ключом к обнаружению широкого спектра веществ, таких как мониторинг окружающей среды, а также для военных и промышленных применений.
Поскольку большинство обычных оптических материалов, используемых в видимом или ближнем инфракрасном диапазонах, полностью непрозрачны для этих длин волн, датчики среднего ИК-диапазона были сложными и дорогими в изготовлении. Таким образом, новый подход может открыть совершенно новые потенциальные области применения, в том числе в продуктах для распознавания потребителей или визуализации, говорит Гу.