研究人员发现了一种控制红外线的新方法

导读20世纪50年代,当晶体管取代计算机中的真空管时,电子领域开始发生变化。这种变化需要用大而快的组件取代大而慢的组件,这是计算机设计小型

20世纪50年代,当晶体管取代计算机中的真空管时,电子领域开始发生变化。这种变化需要用大而快的组件取代大而慢的组件,这是计算机设计小型化趋势长期存在的催化剂。红外光学领域还没有发生这样的革命,仍然依赖于体积庞大的运动部件,因此不可能构建一个小型系统。

然而,麻省理工学院林肯实验室的一组研究人员,与胡觉军教授和麻省理工学院材料科学与工程系的研究生一起,正在研究一种用相变材料代替运动部件来控制红外光的方法。当能量增加时,这些材料有能力改变它们的光学性质。

胡说:“这种材料可以以多种可能的方式用于实现影响人们生活的新型光子器件。”“例如,它对于节能光交换机非常有用,可以提高网络速度,降低互联网数据中心的功耗。它可以实现可重新配置的超光学设备,例如没有机械运动部件的紧凑型平板红外变焦镜头。它还能带来新的计算系统。与当前的解决方案相比,它可以使机器学习更快、更节能。”

相变材料的基本特性是可以改变光通过它们的速度(折射率)。实验室高级材料和微系统组成员Jeffrey Chou说:“已经有了利用折射率变化来调制光的方法,但是相变材料的变化可以好近1000倍。

该团队通过使用含有锗、锑、硒和碲的新型相变材料(统称为GSST),成功地控制了许多系统中的红外光。发表在《自然通讯》上的一篇论文讨论了这项工作。

相变材料的神奇之处在于将原子结合在一起的化学键。在一个阶段,这种材料是一种晶体,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的高温热能峰值来改变,从而晶体中的键被破坏,然后以更随机或无定形的形式重新形成。为了将材料变回晶态,施加了中长期热能脉冲。

研究小组的另一名林肯实验室成员克里斯托弗罗伯茨(Christopher Roberts)说:“化学键的这种变化允许不同的光学性质,类似于煤(无定形)和金刚石(结晶)之间的差异。”"虽然这两种材料主要是碳,但它们的光学性质却大不相同."

目前,相变材料被用于工业应用,如蓝光技术和可擦除DVD,由于其特性,它们可以用于存储和擦除大量信息。但是到目前为止,还没有人在红外光学系统中使用它们,因为它们往往在一种状态下是透明的,在另一种状态下是不透明的。(想想看,钻石可以让光通过,而煤,它的光无法穿透。如果光不能通过一个状态,在一系列应用中就不能完全控制。相反,该系统只能像开/关开关一样工作,允许光线穿过材料,或者根本不允许光线穿过材料。

然而,研究小组发现,通过在原始材料(称为GST)中添加硒,材料结晶相中红外光的吸收急剧下降——本质上,它从不透明的类煤材料变成了更透明的类金刚石材料。此外,这两种状态的折射率差异很大,这将影响光通过它们的传播。

罗伯茨说:“折射率的这种变化允许设计能够控制红外光而不会引入光学损耗的设备。”

例如,假设激光束指向一个方向,需要改变到另一个方向。在目前的系统中,一个大的机械万向架将物理地移动透镜,将光束转向另一个位置。由GSST制成的薄膜透镜可以通过对相变材料进行电编程来改变其位置,因此它可以在没有任何移动部件的情况下转动光束。

该团队已经成功测试了移动镜头中的材料。他们还证明了它在红外高光谱成像中的应用,用于分析图像中的隐藏物体或信息,以及在能够关闭纳秒的快速光学快门中的应用。

GSST有广泛的潜在应用。该团队的最终目标是设计可重构的光学芯片、透镜和滤波器。目前每次需要改动的时候,都必须从头开始重构。一旦团队准备好将材料转移到研究阶段之外,就应该很容易将它们转移到商业领域。由于GSST组件与标准微电子制造工艺兼容,因此可以低成本大规模生产。

最近,实验室获得了组合溅射室,这是一种先进的机器,使研究人员能够用单一元素制造定制材料。该团队将利用该室进一步优化材料,以提高可靠性和开关速度,并用于低功耗应用。他们还计划测试其他可能有助于控制可见光的材料。

该团队的下一步是仔细研究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需要什么。

“这项研究的影响是双重的,”胡说。与其他物理效应(例如,由电场或温度变化引起的)相比,相变材料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。对我们来说,展示这些材料中的双态光学透明性也很重要,因为我们现在可以以最小的光学损耗制造高性能红外元件。胡继续表示,新材料有望在光电子领域开辟新的设计空间。红外光学。

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