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- 扭曲晶體為光學(xué)設(shè)備中更小巧、更強(qiáng)大的傳感器開辟道路
- 來源：Leah Burrows，哈佛約翰・A・保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 發(fā)表于 2025/4/14
多維信息的計(jì)算重建。圖片來源：《自然・光子學(xué)》（2025 年）。https://doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z
扭曲莫爾光子晶體 —— 一種先進(jìn)的光學(xué)超材料，在研發(fā)更小巧、性能更強(qiáng)、功能更強(qiáng)大的光學(xué)系統(tǒng)的競爭中展現(xiàn)出了巨大潛力。它們是如何工作的呢？
想象一下，你有兩塊帶有規(guī)則圖案（比如條紋或方格）的織物。當(dāng)你把兩塊織物直接疊放在一起時(shí)，你能清楚地看到每一個(gè)圖案。但如果你稍微移動或扭轉(zhuǎn)其中一塊織物，就會出現(xiàn)原本兩塊織物中都沒有的新圖案。
在扭曲莫爾光子晶體中，各層的扭轉(zhuǎn)和重疊方式會改變材料與光的相互作用。通過改變扭轉(zhuǎn)角度和層間距，這些材料可以進(jìn)行微調(diào)，從而同時(shí)控制和操縱光的不同方面 —— 這意味著通常需要多個(gè)光學(xué)組件才能同時(shí)測量光的相位、偏振和波長，而現(xiàn)在可以用一個(gè)設(shè)備來替代。
然而，研究人員一直無法將扭曲莫爾光子晶體集成到能夠?qū)崟r(shí)主動控制層間扭轉(zhuǎn)和距離的設(shè)備中，這嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用。
現(xiàn)在，哈佛約翰・A・保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員與斯坦福大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校合作，開發(fā)出了一種片上扭曲莫爾光子晶體傳感器。該傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)實(shí)時(shí)控制晶體層之間的間隙和角度，能夠同時(shí)檢測和收集詳細(xì)的偏振和波長信息。
這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然・光子學(xué)》雜志上。樣品的制作是在哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心完成的。
“扭曲莫爾光子晶體有望用于研發(fā)更小巧、更強(qiáng)大的光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兙哂懈叨瓤烧{(diào)節(jié)的光學(xué)特性、精確的光控制能力、緊湊且可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，并且在各種先進(jìn)光子技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用潛力，” 哈佛約翰・A・保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)巴爾坎斯基教授、該論文的資深作者埃里克・馬祖爾（Eric Mazur）說道。
“我們的研究展示了在實(shí)現(xiàn)精確控制時(shí)這些材料的強(qiáng)大之處，并為創(chuàng)建適用于多種光操縱和信息處理任務(wù)的綜合性平面光學(xué)器件開辟了一條可擴(kuò)展的道路，” 哈佛約翰・A・保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的博士后研究員、該研究的第一作者唐浩寧（音譯）說道。
在哈佛研發(fā)的這個(gè)設(shè)備中，光子晶體層位于垂直和旋轉(zhuǎn)致動器上，并與電極相連。整個(gè)設(shè)備只有幾毫米大小，可以使用與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的工藝進(jìn)行制造，這意味著它可以通過標(biāo)準(zhǔn)的代工廠納米制造工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
封裝好的 MEMS-TMPhC 設(shè)備與印刷電路板進(jìn)行引線鍵合的側(cè)視圖。圖片來源：《自然・光子學(xué)》（2025 年）。https://doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z
研究人員證明，通過使用致動器改變光子晶體層的距離和旋轉(zhuǎn)位置，他們可以進(jìn)行同時(shí)高光譜和超偏振成像 —— 這意味著傳感器捕獲的每個(gè)像素都包含來自整個(gè)電磁光譜的信息以及關(guān)于偏振狀態(tài)的詳細(xì)信息。這是首個(gè)具有主動調(diào)諧功能、能夠展示光的多種屬性詳細(xì)信息的設(shè)備。
“這些設(shè)備可用于一系列應(yīng)用，包括量子計(jì)算、數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星或醫(yī)學(xué)掃描，在這些應(yīng)用中，獲取清晰的圖像以及關(guān)于光和顏色的詳細(xì)信息非常重要，” 唐浩寧說道。
未來，這些設(shè)備將具備更復(fù)雜的調(diào)諧能力，包括具有更多自由度的致動器。
更多信息：Tang, H. 等人，《用于光譜偏振超成像的自適應(yīng)莫爾傳感器》，《自然・光子學(xué)》（2025 年）。doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z。www.nature.com/articles/s41566-025-01650-z
期刊信息：《自然・光子學(xué)》
由哈佛約翰・A・保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院提供
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