Ett nytt sätt att ta bilder i den mellaninfraröda delen av spektrumet, utvecklat av forskare vid MIT och på andra håll, kan möjliggöra en mängd olika applikationer, inklusive värmeavbildning, biomedicinsk avkänning, och fritt utrymme kommunikation.

Det mellaninfraröda (mitt-IR) bandet av elektromagnetisk strålning är en särskilt användbar del av spektrumet; det kan ge bilder i mörker, spåra värmesignaturer, och tillhandahåller känslig detektion av många biomolekylära och kemiska signaler. Men optiska system för detta frekvensband har varit svåra att göra, och enheter som använder dem är mycket specialiserade och dyra. Nu, forskarna säger att de har hittat en mycket effektiv och masstillverkningsbar metod för att kontrollera och detektera dessa vågor.

Fynden redovisas i tidskriften Naturkommunikation , i en artikel av MIT-forskarna Tian Gu och Juejun Hu, University of Massachusetts at Lowell forskare Hualiang Zhang, och 13 andra på MIT, University of Electronic Science and Technology i Kina, och East China Normal University.

Det nya tillvägagångssättet använder en platt, konstgjort material som består av nanostrukturerade optiska element, istället för den vanliga tjocka, linser av krökt glas som används i konventionell optik. Dessa element ger elektromagnetiska svar på begäran och är gjorda med tekniker som liknar de som används för datorchips. "Den här typen av metayta kan göras med hjälp av standardmikrotillverkningstekniker, Gu säger. "Tillverkningen är skalbar."

Han tillägger att "det har förekommit anmärkningsvärda demonstrationer av metasyteoptik i synligt ljus och nära infrarött, men i mitten av infrarött rör det sig långsamt." När de började denna forskning, han säger, frågan var, eftersom de kan göra dessa enheter extremt tunna, "Kan vi också göra dem effektiva och billiga?" Det är vad lagmedlemmarna säger att de nu har uppnått.

Den nya enheten använder en rad exakt formade optiska tunnfilmselement som kallas "metaatomer" gjorda av kalkogenidlegering, som har ett högt brytningsindex som kan bilda högpresterande, ultratunna strukturer som kallas metaatomer. Dessa metaatomer, med former som liknar blockbokstäver som I eller H, deponeras och mönstras på ett IR-transparent substrat av fluorid. De små formerna har tjocklekar som är en bråkdel av våglängderna för det ljus som observeras, och tillsammans kan de prestera som en lins. De ger nästan godtycklig vågfrontsmanipulation som inte är möjlig med naturliga material i större skala, men de har en liten bråkdel av tjockleken, och därför behövs bara en liten mängd material. "Det är fundamentalt annorlunda från konventionell optik, " han säger.

Processen "låter oss använda mycket enkla tillverkningstekniker, Gu förklarar, genom att termiskt förånga materialet på substratet. De har demonstrerat tekniken på 6-tums wafers med hög genomströmning, en standard inom mikrotillverkning, och "vi tittar på ännu större tillverkning."

Enheterna sänder ut 80 procent av mitt-IR-ljuset med optisk effektivitet på upp till 75 procent, representerar en betydande förbättring jämfört med befintlig mid-IR-metaoptik, säger Gu. De kan också göras mycket lättare och tunnare än konventionell IR-optik. Med samma metod, genom att variera mönstret för arrayen kan forskarna godtyckligt producera olika typer av optiska enheter, inklusive en enkel strålavvisare, en cylindrisk eller sfärisk lins, och komplexa asfäriska linser. Linserna har demonstrerats för att fokusera mid-IR-ljus med maximal teoretiskt möjlig skärpa, känd som diffraktionsgränsen.

Dessa tekniker tillåter skapandet av metaoptiska enheter, som kan manipulera ljus på mer komplexa sätt än vad som kan uppnås med konventionella bulk-transparenta material, säger Gu. Enheterna kan också styra polarisering och andra egenskaper.

Mid-IR-ljus är viktigt inom många områden. Den innehåller de karakteristiska spektralbanden för de flesta typer av molekyler, och penetrerar atmosfären effektivt, så det är nyckeln till att upptäcka ett brett spektrum av ämnen, till exempel vid miljöövervakning, såväl som för militära och industriella tillämpningar, säger forskarna. Eftersom de flesta vanliga optiska material som används i de synliga eller nära infraröda banden är helt ogenomskinliga för dessa våglängder, mellan-IR-sensorer har varit komplexa och dyra att tillverka. Så det nya tillvägagångssättet kan öppna upp helt nya potentiella tillämpningar, inklusive i konsumentavkännings- eller bildbehandlingsprodukter, säger Gu.