新型可调谐光学材料的军事应用2023.docx

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1、新型可调谐光学材料的军事应用2023目录1. DARPA发布加速开发可调谐光学材料(ATOM)计划12. DARPA寻求新型可调谐光学材料13. M1T开发出基于相变材料的新型可调谐超表面33.1.电开关33.2.新材料43.3. 麻省理工学院研发的可调谐“元表面”51. DARPA发布加速开发可调谐光学材料(ATOM)计划据DARPA官网6月7日消息，美国国防部高级研究计划局(DARPA)发布加速开发可调谐光学材料(ATOM)计划，旨在开发电磁波谱的可见光和中长波红外(MWIR/1WIR)波段的新型可调谐光学材料(ToM),允许折射率具有较大的可调节性，使固态材料能够在多个光谱范围内根据需要

2、进行光学调谐，并且可以与传统的铸造工艺相结合进行生产，而无需物理过滤或机械输入。液晶就是一一种普遍存在在我们生活中的可调谐光学材料，让平板电视、智能手机、和显示器呈现出鲜艳的色彩和清晰的图像。但液晶在可见光和红外光谱区域中对军事等其他领域则无法发挥很好的作用。许多类似液晶的光学材料都因为无法达到并保持所需的相变速度，从而限制了它们在见光和中长波红外中的实用性。AToM技术突破后，将拥有广泛应用场景，例如，可开发望远镜和无人机等更小更轻的移动成像平台，简化远程化学传感、热成像和食品安全等应用中使用的高光谱成像系统等。该项目为期24个月，分两个阶段进行。第一阶段(前12个月)将侧重于使用自适应材料

3、发现和预测建模工具来识别和表征满足材料特性指标的新型可调光学材料；第二阶段(后12个月)将侧重于实验演示。2. DARPA寻求新型可调谐光学材料当前，在人类的日常生活中，液晶是无处不在的可调谐光学材料，最常见的是它们在平板电视、智能手机、平板电脑和显示器上实现的鲜艳色彩和清晰图像。尽管液晶非常适用于视觉显示器的光学过滤，但在可见光和红外光谱区域的军事相关领域，液晶并不十分有效。为此，美国防高级研究计划局(DARPA)在6月7日通过其官网宣布推出“加速探索可调谐光学材料”(ATOM)项目，旨在探索和开发电磁波谱的可见光和中长波红外(MW1R/1WIR)波段的新型可调谐光学材料(TOM)。其最终目

4、标是使固态材料能够在多个光谱范围内按需进行光学调谐，而不需要物理过滤或机械输入来实现这种动态功能。这种突破可以实现低尺寸、低重量和低功率的单透镜光学设备，以执行广泛的作战任务。据DARPA国防科学办公室(DSo)负责ATOM的项目经理罗希特钱德拉塞卡(ROhithChandraSekar)介绍：“液晶是相对较大的分子，开关速度较慢一其运行速度与我们的眼睛能够感知到的变化的刷新率差不多。而且，由于是液体，它们不容易与其他技术整合。基于这些原因，液晶对于我们需要非常快的开关速度的应用是没有用的，比如激光束转向，或者纠正图像中的大气湍流，因为湍流的速度比我们的眼睛能感知的快得多。”一些新的相变材料对

5、红外光谱显示出初步的希望。然而，由于非晶态和晶态之间的相变是由热能引起的，这些材料无法达到和保持所需的相变速度，限制了它们在MWIR/1WIR应用中的效用。需要对材料物理学有新的认识，以实现具有非热调制特性的可调谐材料。ATOM项目包括两个技术领域：红外和可见光谱可调谐光学材料。该项目旨在探索和开发可调谐材料，提供非常快的调谐速度，使其光学特性(即折射率)具有较大的可调性，并能与传统的铸造工艺相结合进行生产。ATOM的材料突破可以使众多不同的技术平台受益。罗希特钱德拉塞卡介绍说：“例如，可调谐的光学器件将使像望远镜和无人机这样的移动成像平台变得更小、更轻，可以纠正来自空气中湍流的图像模糊。可调

6、谐光学过滤器还可以简化用于远程化学感应、热成像和食品安全等应用的高光谱成像系统。我们希望在AToM中探索和开发的可调谐光学材料将使我们最终实现这些愿景。”识别具有广泛带宽的独特可调谐特性的新型光学材料需要新的数据科学和基于机器学习的方法。迄今为止，光学材料的探索在很大程度上是基于直观的设计加上第一原理的模拟，如密度泛函理论。虽然这种方法在原则上是可行的，但它效率低、耗时长，而且从根本上受到基于已知材料的人类直觉的限制，使得发现全新的材料成为一项艰巨的任务。最近，医药、能源和先进功能材料等领域已经成功利用了基于机器学习、人工智能和数学图论的先进统计方法。由于材料探索工具已经加速了这些其他技术领域

7、的进展，ATOM旨在利用类似的人工智能工具来快速探索新的光学材料。ATOM项目是一项为期24个月的工作，分为两个阶段：12个月的探索阶段和一个可选的12个月的演示验证阶段。第一阶段将侧重于使用自适应材料探索和预测建模工具识别和表征符合材料属性指标的新型可调谐光学材料。第二阶段将着重于对新材料进行实验演示，使其成为超过10个开关状态的可开关薄膜。3. MIT开发出基于相变材料的新型可调谐超表面据麦姆斯咨询报道，美国麻省理工学院(M1T)的研究人员近日发表了一种可调谐超表面(一种具有纳米结构的平面光学元件)的重要新进展。他们打了个形象的比喻，过去的平面光学元件就像普通水果刀，而他们开发的可调谐超表

8、面就像一把多功能的瑞士军刀。这项研究成果的关键是研究小组开发了一种透明材料，它可以响应热量快速可逆地改变其原子结构。这项最新进展已经发表于最近一期的NatureNanotechno1ogy期刊，论文第一作者YifeiZhang表示：“通过快速重新配置超表面所开辟的应用具有巨大的想象空间。我们的研究攻克了多项将其实际应用的障碍，为此我们感到非常兴奋。YifeiZhang是MIT材料科学与工程系(DMSE)的研究生。西雅图华盛顿大学副教授ArkaMajumdar虽然没有参与这项研究，不过他评价称：“可以预见，这项技术有望彻底革新自动驾驶应用的光学神经网络、深度感知和激光雷达(1iDAR)技术。”3

9、.1.电开关在论文中，MIT研究人员介绍了利用电流可逆地改变材料结构，从而改变新型超表面的光学特性。过去，研究人员需要利用大型激光器或热炉来提供必要的热量。“这一点很重要，因为我们现在可以将整个有源光学器件和电流开关集成到一颗硅芯片上，形成一个微型光学平台。”该研究负责人、DMSE副教授JuejunHu说。MIT研究人员开发的集成在硅芯片上并可以利用电流激活的新型超表面，具有约10万纳米级结构的图案化平面光学元件。该团队还利用该平台展示了一系列可调谐光学功能。其中包括一种光束转向功能，通过对材料切换不同的(内部)结构，可以在两个方向之间来回扫描光束。光束转向是自动驾驶环境感知的关键，不过研究人

10、员表示，这种光束转向功能还相当初级，仍处于原理验证阶段。3.2.新材料相变材料(PCM)会响应热变化而改变其结构，它们已经在商业上用于可重写CD和DVD。HU解释称：“激光束可以局部改变超材料的结构，使其从非晶态转变为晶态，这种变化可以用来编码1和0,从而实现数字化信息。”不过，传统相变材料的光学应用存在局限性。一方面，它们并不是透明的，无法投射光。这推动研究人员开发了一种可用于光学元件的透明相变材料。今年早些时候，HU及其研究小组报道称，在传统相变材料中添加元素硒可以解决这一问题。这种由铭、硒、锦和硫(GSST)组成的材料是开发新型超表面的关键。当然，这种超表面并不仅仅是一层GSST薄膜，它

11、在约0.5平方毫米区域内具有约10万个图案化的纳米级结构。这使其可以控制光的传播。HU表示：“由此，我们可以将这些纳米结构整合为透镜等光学元件。”牛津大学HarishBhaskaran教授没有参与这项研究，但他对整个研究工作以及新报道的进展评价称：“这是一个非常重要的研究方向，这类可调谐超表面尽管是“平面”(或名义上是平面的)或非常薄的，但可以调节光的反射，这非常有意义。它们可以显著缩小那些用于光操纵的透镜的体积。M1T研究人员利用低损耗的相变材料为实现这一目标提供了一条有效途径。他们也是第一批展示利用电控制加热进行这种动态调谐的研究人员。”根据同一期NatureNanotechnoIogy中

12、一篇关于该领域研究进展的评论文章，”这项研究在基于相变材料的可调谐超表面方向取得了突破，不过其方案仍存在缺点。”HU的研究团队正在朝着这些问题研究解决方案。例如，他们的微型光学平台中使用的加热器目前是由金属制成的。但是金属对于光学器件来说是有问题的，因为它们会吸收光，HU表示他们正在研制一种新型的透明硅加热器。HU总结称，这项研究特别令人兴奋，因为他们首先发现了一种新材料，然后利用这种新材料设计了一种新应用，完成了从材料创新到器件集成的完整突破。3.3.麻省理工学院研发的可调谐“元表面”麻省理工学院的工程师和同事们汇报了一种可调谐的元表面的重要新进展，即用纳米级结构图案的平面光学设备，他们将其

13、比作一把瑞士军刀，而其被动的前辈可以被认为只是一种工具，相比前者的用途单调到就像一把平刃螺丝刀。这项工作的关键是该团队发现的一种透明材料，它能快速和可逆地改变其原子结构。“快速重组元表面的能力所开辟的应用是巨大的，YifeiZhang说，他是最近一期自然纳米技术杂志上一篇报告最新进展的论文的第一作者。张是材料科学与工程系(DMSE)的一名研究生。“我们很兴奋，因为目前的工作克服了几个障碍，将这些元表面落实到现实世界的应用中。”在自然-纳米技术论文中，麻省理工学院的研究人员描述了使用电流来可逆地改变材料结构，从而改变新的超表面的光学特性。在过去，他们使用笨重的激光器或一个炉子来提供必要的热量。现

14、在可以将整个有源光学装置与电开关一起集成到硅芯片上，形成一个小型化的光学平台。该团队还报告说使用该平台展示了一系列可调谐的光学功能，其中包括一个光束转向装置通过将材料切换到不同的内部结构，可以向一个方向和另一个方向发送光，来回切换。相变材料(PCMS)在热的作用下改变其结构。它们在商业上被用于可重写CD和DVD。一束激光改变了材料的局部结构，从无定形到结晶，这种变化可以用来编码1和O-数字信息。然而，传统的PCM在光学应用方面有局限性。首先，它们是不透明的。它们不会让光线通过。这促使研究人员发明了一种用于光学设备的新相变材料，它是透明的。今年早些时候团队报告说，在传统的PCM中加入另一种元素，

15、硒的过程起到了作用。这种由钻、硒、睇和硫(GSST)组成的新材料是新超表面的关键。反过来，元表面不仅仅是一层GSST薄膜，它是一层只有约半亳米见方的GSST薄膜，上面有大约10万个纳米级结构。而这些，反过来能够控制光的传播。这种可调谐的元表面，即即使名义上是平的或非常薄的表面也能调节光的反射，是非常有趣的。它们可以极大地减少透镜的体积，而透镜当然是用在所有操纵光线的地方。麻省理工学院使用低损耗的相变材料(即，它们吸收很少的光)，为实现这一目标提供了真正的途径。根据同一期自然纳米技术的一篇关于麻省理工学院和斯坦福大学进展的“新闻与观点”文章，“这些工作在基于PCM的可调节元表面方面取得了突破”。然而，新闻与观点的作者强调，两种方法都有缺点。例如，他们的小型化光学平台中使用的加热器目前是由金属制成的。但“金属对光学来说是有问题的，因为它们会吸收光线，因此团队正在研究一种由硅制成的新加热器，它是透明的。”