研究人員發(fā)現(xiàn)控制紅外線的新方法

在1950年代，晶體管取代了計(jì)算機(jī)中的真空管時(shí)，電子領(lǐng)域開始發(fā)生變化。這種變化需要用大而快的組件替換大而慢的組件，這是持久的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)小型化趨勢(shì)的催化劑。紅外光學(xué)領(lǐng)域尚未發(fā)生過這樣的革命，紅外光學(xué)領(lǐng)域仍然依賴于體積龐大的運(yùn)動(dòng)部件，因此無法構(gòu)建小型系統(tǒng)。

但是，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員與胡覺軍教授 以及麻省理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程系的研究生一起，正在研究一種通過使用相變材料而不是移動(dòng)部件來控制紅外光的方法。當(dāng)添加能量時(shí)，這些材料具有改變其光學(xué)性質(zhì)的能力。

胡說：“這種材料可以通過多種可能的方式來啟用影響人們生活的新型光子器件。” “例如，它對(duì)于節(jié)能型光交換機(jī)很有用，它可以提高網(wǎng)絡(luò)速度并減少互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的功耗。它可以啟用可重新配置的元光學(xué)設(shè)備，例如不帶機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的緊湊型扁平紅外變焦鏡頭。它也可以帶來新的計(jì)算系統(tǒng)，與當(dāng)前的解決方案相比，它可以使機(jī)器學(xué)習(xí)更快，更節(jié)能。”

相變材料的基本特性是它們可以改變光通過它們的速度(折射率)。“已經(jīng)有使用折射率變化來調(diào)制光的方法，但是相變材料的變化可以好將近1000倍，”實(shí)驗(yàn)室高級(jí)材料和微系統(tǒng)小組的成員Jeffrey Chou說。

該團(tuán)隊(duì)通過使用包含鍺，銻，硒和碲元素的新型相變材料(統(tǒng)稱為GSST)，成功地控制了多個(gè)系統(tǒng)中的紅外光。 在Nature Communications 上發(fā)表的一篇論文中 討論了這項(xiàng)工作 。

相變材料的魔力發(fā)生在將其原子束縛在一起的化學(xué)鍵中。在一種相態(tài)下，該材料是晶體，其原子排列成有組織的圖案?？梢酝ㄟ^在材料上施加短暫的高溫?zé)崮芊鍋砀淖冞@種狀態(tài)，從而使晶體中的鍵斷裂，然后以更隨機(jī)或無定形的形式重新形成。為了使材料變回結(jié)晶狀態(tài)，施加了中長期的熱能脈沖。

研究團(tuán)隊(duì)的另一位林肯實(shí)驗(yàn)室成員克里斯托弗·羅伯茨說：“化學(xué)鍵的這種變化允許出現(xiàn)不同的光學(xué)性質(zhì)，類似于煤(無定形)和鉆石(結(jié)晶)之間的差異。” “雖然兩種材料主要都是碳，但它們的光學(xué)特性卻大不相同。”

當(dāng)前，相變材料用于工業(yè)應(yīng)用，例如藍(lán)光技術(shù)和可擦寫DVD，因?yàn)樗鼈兊奶匦钥捎糜诖鎯?chǔ)和擦除大量信息。但是到目前為止，還沒有人將它們用于紅外光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝环N狀態(tài)下趨于透明而在另一種狀態(tài)下趨于不透明。(想一想，鉆石可以使光通過，而煤，其光不能穿透。)如果光不能通過一種狀態(tài)，那么就不能在一系列用途中對(duì)光進(jìn)行充分的控制。取而代之的是，系統(tǒng)只能像開/關(guān)開關(guān)那樣工作，從而允許光線穿過材料或完全不穿過。

但是，研究小組發(fā)現(xiàn)，通過將硒元素添加到原始材料(稱為GST)中，該材料在結(jié)晶相中對(duì)紅外光的吸收急劇下降-實(shí)質(zhì)上是將其從不透明的類煤材料變?yōu)楦该鞯牟牧舷胥@石一樣。此外，兩種狀態(tài)的折射率差異很大，會(huì)影響光通過它們的傳播。

羅伯茨說：“折射率的這種變化在不引入光學(xué)損耗的情況下，允許設(shè)計(jì)無需機(jī)械部件即可控制紅外光的設(shè)備。”

例如，假設(shè)有一個(gè)激光束指向一個(gè)方向，并且需要更改為另一個(gè)方向。在當(dāng)前系統(tǒng)中，大型機(jī)械萬向架將物理地移動(dòng)透鏡以將光束轉(zhuǎn)向另一個(gè)位置。由GSST制成的薄膜透鏡可以通過對(duì)相變材料進(jìn)行電編程來??改變位置，從而無需任何移動(dòng)部件即可進(jìn)行光束轉(zhuǎn)向。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在移動(dòng)鏡頭中成功測(cè)試了材料。他們還證明了其在紅外高光譜成像中的用途，該紅外高光譜成像用于分析圖像中的隱藏對(duì)象或信息，以及在能夠關(guān)閉納秒級(jí)的快速光學(xué)快門中。

GSST的潛在用途是廣泛的，該團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)可重新配置的光學(xué)芯片，透鏡和濾光片，目前，每次需要進(jìn)行更改時(shí)，都必須從頭開始對(duì)其進(jìn)行重新構(gòu)建。一旦團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備將材料轉(zhuǎn)移到研究階段之外，就應(yīng)該很容易將其過渡到商業(yè)領(lǐng)域。由于GSST組件已經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)微電子制造工藝兼容，因此可以低成本大量生產(chǎn)。

最近，實(shí)驗(yàn)室獲得了組合濺射室，這是一臺(tái)先進(jìn)的機(jī)器，可以使研究人員從單個(gè)元素中創(chuàng)建定制材料。該團(tuán)隊(duì)將使用該腔室進(jìn)一步優(yōu)化材料，以提高可靠性和開關(guān)速度，以及用于低功耗應(yīng)用。他們還計(jì)劃試驗(yàn)可能對(duì)控制可見光有用的其他材料。

該團(tuán)隊(duì)的下一步是仔細(xì)研究GSST的實(shí)際應(yīng)用，并了解這些系統(tǒng)在功率，尺寸，開關(guān)速度和光學(xué)對(duì)比度方面需要什么。

“(這項(xiàng)研究的)影響是雙重的，”胡說。相變材料與其他物理效應(yīng)(例如，由電場(chǎng)或溫度變化引起的)相比，具有顯著增強(qiáng)的折射率變化，從而實(shí)現(xiàn)了極其緊湊的可重編程光學(xué)器件和電路。我們?cè)谶@些材料中的雙態(tài)光學(xué)透明性的展示也很重要，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以制造出光學(xué)損失最小的高性能紅外組件。”胡先生繼續(xù)說道，新材料有望在光電子領(lǐng)域開辟一個(gè)全新的設(shè)計(jì)空間。紅外光學(xué)。