控制红外光的新方法，引领红外光学领域新革命
2020-02-28 21:11:26 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
近期，麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）的研究人员与胡珏军教授以及麻省理工学院材料科学与工程系的研究生们，正在研究一种通过使用相变材料而非运动部件来控制红外光的方法。当注入能量时，这些材料具有改变其光学特性的能力。
该8英寸晶圆含有可控并调节光的相变像素。研究人员目前正在研究这些像素的特性和行为，以便为未来使用相变材料的器件提供帮助。
据麦姆斯咨询介绍，在上世纪50年代，晶体管取代了计算机中的真空管，电子领域开始发生革命性变化。小而快的元件取代了大而慢的元件，这是计算机设计微型化趋势的催化剂。然而迄今为止，红外光学领域尚未发生过这样的革命，目前仍然依赖体积庞大的运动部件，阻碍了微型系统的构建。
但是，近期，麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）的研究人员与胡珏军教授以及麻省理工学院材料科学与工程系的研究生们，正在研究一种通过使用相变材料而非运动部件来控制红外光的方法。当注入能量时，这些材料具有改变其光学特性的能力。
“这种材料可以采用多种可能的方式使新型光子器件影响人们的生活。”胡教授说道，“例如，它可用于高效节能光交换机，从而提高网络速度并降低互联网数据中心的能耗；它可实现可重构的超光学器件（metaoptical devices），例如没有机械运动部件的紧凑型红外变焦镜头；它同时带来了新的计算系统，与当前的解决方案相比，它能够使机器学习更快、更节能。”
相变材料的基本特性是它们可以改变光通过它们的速度（折射率）。“现在已经有使用折射率变化来调节光的方法，但是相变材料的变化可以快将近1000倍。”实验室高级材料和微系统小组的成员Jeffrey Chou说道。
该团队通过使用包含锗（Ge）、锑（Sb）、硒（Se）和碲（Te）元素的新型相变材料（统称为GSST），成功地控制了多个系统中的红外光。相关研究已在Nature Communications上发表。
相变材料的神奇之处在于将其原子连接在一起的化学键。在一种相态下，材料是晶体，其原子排列成有组织的图案。这种状态可以通过在材料上施加短暂的、高温的热能峰值来改变，从而使晶体中的化学键断裂，然后以更随机的或非晶态的形式重新形成。为了使材料恢复到晶体状态，需要施加一个较长的、中等温度的热能脉冲。
“化学键的这种变化使得不同的光学性质得以显现，就像煤（无定形）和钻石（晶态）之间的区别一样。”研究团队的另一位林肯实验室成员Christopher Roberts说道，“虽然两种材料主要都是碳，但它们的光学特性却大不相同。”
当前，相变材料主要用于工业应用，例如蓝光技术和可擦写DVD，因为它们的特性可用于存储和擦除大量信息。但是到目前为止，还没有人将它们用于红外光学系统，因为它们在一种状态下是透明的而在另一种状态下又是不透明的（想一想，光可以通过钻石，但是不能通过煤）。如果光不能通过一种状态，那么光就不能被充分地控制以用于各种用途。不然，这种系统只能像开关一样工作，要么让光通过材料，要么完全不通过。
但是，研究小组发现，通过在原始材料（称为GST）中添加元素硒（Se），新材料在晶体相中对红外光的吸收明显减少，本质上讲，这是将其从不透明的类似煤的材料变成了更透明的类似钻石的材料。此外，两种状态的折射率差异很大，会影响光通过它们的传播。
“在不引入光损耗的情况下，折射率的这种变化，得以设计无需机械部件即可控制红外光的光学器件。”Roberts说道。
例如，假设一束激光指向一个方向，并需要更改为另一个方向。在当前系统中，可通过大型机械万向架物理地移动透镜以将光束转向另一方向。由GSST制成的薄膜透镜可以通过对相变材料进行电性重编程来改变方向，从而无需任何移动部件即可进行光束转向。
该团队已在移动镜头中成功测试了这种材料。他们还演示了其在红外高光谱成像（用于分析隐藏物体或信息的图像），以及能够在纳秒内关闭的快速光学快门中的应用。
GSST的潜在用途是非常广泛的，该团队的最终目标是设计可重新配置的光学芯片、透镜和滤光片，目前，每次需要进行更改时，都必须从头开始对其进行重新构建。一旦团队准备好将材料突破研究阶段，过渡到商业领域应该是比较容易的。由于GSST组件可与标准微电子制造工艺兼容，因此能够低成本批量生产。
最近，实验室获得了一台组合溅射腔室（一种先进的设备），可以使研究人员从单个元素创造定制材料。该团队将利用该溅射室进一步优化材料，以提高可靠性和切换速度，并用于低功耗应用。他们还计划试验可能对控制可见光有用的其它材料。
该团队的下一步工作是深入研究GSST的实际应用，并了解这些系统在功率、尺寸、切换速度和光学对比度方面的需求。
“这项研究的影响是双重的。”胡教授说道，“相变材料与其它物理效应（例如由电场或温度变化引起的效应）相比，具有显著增强的折射率变化，从而实现了极其紧凑的可重编程光学器件和电路。我们在这些材料中展示的双态光学透明性也很重要，因为我们现在可以制造出光学损耗最小的高性能红外元件。”胡教授还说到，这种新材料有望在红外光学领域开辟出全新的设计空间。
这项研究目前得到了林肯实验室技术办公室和美国国防高级研究计划局的资助。
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