Een nieuwe manier om foto's te maken in het midden-infrarode deel van het spectrum, ontwikkeld door onderzoekers van MIT en elders, kan een breed scala aan toepassingen mogelijk maken, inclusief thermische beeldvorming, biomedische detectie, en communicatie in de vrije ruimte.

De mid-infrarode (mid-IR) band van elektromagnetische straling is een bijzonder nuttig onderdeel van het spectrum; het kan beeldvorming in het donker bieden, traceer hitte handtekeningen, en zorgen voor gevoelige detectie van veel biomoleculaire en chemische signalen. Maar optische systemen voor deze frequentieband waren moeilijk te maken, en apparaten die ze gebruiken, zijn zeer gespecialiseerd en duur. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers zeggen dat ze een zeer efficiënte en massaproduceerbare benadering hebben gevonden om deze golven te beheersen en te detecteren.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van MIT-onderzoekers Tian Gu en Juejun Hu, Universiteit van Massachusetts bij Lowell-onderzoeker Hualiang Zhang, en 13 anderen bij MIT, de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie van China, en de Oost-Chinese Normale Universiteit.

De nieuwe aanpak maakt gebruik van een vlakke, kunstmatig materiaal samengesteld uit nanogestructureerde optische elementen, in plaats van de gebruikelijke dikke, gebogen glazen lenzen gebruikt in conventionele optica. Deze elementen bieden on-demand elektromagnetische reacties en zijn gemaakt met behulp van technieken die vergelijkbaar zijn met die voor computerchips. "Dit soort meta-oppervlak kan worden gemaakt met behulp van standaard microfabricagetechnieken, " zegt Gu. "De productie is schaalbaar."

Hij voegt eraan toe dat "er opmerkelijke demonstraties zijn geweest van metasurface-optiek in zichtbaar licht en nabij-infrarood, maar in het midden-infrarood beweegt het langzaam." Toen ze aan dit onderzoek begonnen, hij zegt, de vraag was, omdat ze deze apparaten extreem dun konden maken, "Kunnen we ze ook efficiënt en goedkoop maken?" Dat is wat de teamleden nu hebben bereikt.

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een reeks nauwkeurig gevormde optische dunne-filmelementen die "meta-atomen" worden genoemd, gemaakt van een chalcogenide-legering, die een hoge brekingsindex heeft die hoge prestaties kan vormen, ultradunne structuren genaamd meta-atomen. Deze meta-atomen, met vormen die lijken op blokletters zoals I of H, worden afgezet en van een patroon voorzien op een IR-transparant substraat van fluoride. De kleine vormen hebben een dikte die een fractie is van de golflengten van het licht dat wordt waargenomen, en samen kunnen ze presteren als een lens. Ze bieden bijna willekeurige golffrontmanipulatie die niet mogelijk is met natuurlijke materialen op grotere schaal, maar ze hebben een kleine fractie van de dikte, en dus is er maar een kleine hoeveelheid materiaal nodig. "Het is fundamenteel anders dan conventionele optica, " hij zegt.

Het proces "stelt ons in staat om zeer eenvoudige fabricagetechnieken te gebruiken, "Gu legt uit, door het materiaal thermisch op de ondergrond te verdampen. Ze hebben de techniek gedemonstreerd op 6-inch wafers met een hoge doorvoer, een standaard in microfabricage, en "we kijken naar productie op grotere schaal."

De apparaten zenden 80 procent van het mid-IR-licht uit met optische efficiëntie tot 75 procent, wat een aanzienlijke verbetering betekent ten opzichte van bestaande mid-IR-metaoptica, zegt Gu. Ze kunnen ook veel lichter en dunner worden gemaakt dan conventionele IR-optieken. Met dezelfde methode, door het patroon van de array te variëren, kunnen de onderzoekers willekeurig verschillende soorten optische apparaten produceren, inclusief een eenvoudige straaldeflector, een cilindrische of sferische lens, en complexe asferische lenzen. Van de lenzen is aangetoond dat ze mid-IR-licht focussen met de maximaal theoretisch mogelijke scherpte, bekend als de diffractielimiet.

Met deze technieken kunnen meta-optische apparaten worden gemaakt, die licht op complexere manieren kan manipuleren dan wat kan worden bereikt met conventionele bulktransparante materialen, zegt Gu. De apparaten kunnen ook polarisatie en andere eigenschappen regelen.

Mid-IR-licht is op veel gebieden belangrijk. Het bevat de karakteristieke spectrale banden van de meeste soorten moleculen, en dringt effectief de atmosfeer binnen, het is dus van cruciaal belang om een ​​breed scala aan stoffen op te sporen, zoals bij milieumonitoring, evenals voor militaire en industriële toepassingen, zeggen de onderzoekers. Aangezien de meeste gewone optische materialen die in de zichtbare of nabij-infraroodbanden worden gebruikt, totaal ondoorzichtig zijn voor deze golflengten, mid-IR-sensoren zijn complex en duur om te maken. De nieuwe aanpak zou dus geheel nieuwe potentiële toepassingen kunnen openen, inclusief in consumentendetectie- of beeldvormingsproducten, zegt Gu.