2022年9月2日，美國防高級研究計劃局（DARPA）宣布推出“光機熱成像”（OpTIm）項目，旨在開發具有量子級性能的新型、緊湊和室溫紅外傳感器，以彌合能力有限的非制冷熱探測器和高性能低溫冷卻光電探測器之間的性能差距。
據DARPA國防科學辦公室（DSO）負責OpTIm的項目經理穆昆德·文加拉托雷（Mukund Vengalattore）介紹：“如果研究人員能夠達到該項目的指標，我們將使紅外探測在靈敏度、光譜控制和響應時間方面比目前的室溫紅外裝置有數量級的改進。在室溫下實現量子級靈敏度的緊湊型紅外傳感器將改變戰場監視、夜視以及地面和太空成像。它還將實現大量的商業應用，包括用于非侵入性癌癥診斷的紅外光譜學，從人的呼吸或空氣中開展高度準確和即時的病原體檢測，以及對農業和植物健康威脅的病前檢測。”
紅外（IR）探測器是一個巨大的應用空間的基礎，包括夜視、生化光譜學、自動化和氣候科學。目前的紅外檢測技術依賴于光檢測或熱檢測。雖然紅外光電探測器原則上可以達到量子級的靈敏度，但它們需要低溫冷卻以減輕暗電流和其他噪聲源。相比之下，熱檢測器，如微測輻射計，可以在室溫下工作，但性能水平要低得多。因此，在未冷卻的熱探測器和低溫冷卻的光電探測器之間，紅外探測技術存在著明顯的性能差距。此外，這些檢測策略往往受到低材料響應性、高電子噪音、制造復雜性和其他讀出集成電路（ROIC）的限制。近年來，在微電子機械諧振器和光機諧振器的基礎上，出現了非制冷紅外檢測的替代模式。與依靠將吸收的紅外輻射轉變成電阻變化的輻射計相比，基于微諧振器的紅外探測器將吸收的輻射轉變成其諧振模式的相應頻移。首先，微電子機械系統（MEMS）和光學機械界的廣泛努力導致了超相干薄膜諧振器的發展，這些諧振器在各種材料中表現出超過106-107的室溫質量系數，包括晶體硅、氮化硅、碳化硅和金剛石薄膜。這些非凡的熱力學特性可以通過納米系膜諧振器或聲學帶隙得到進一步加強。這些特性也導致了較低的熱質量、接近基本輻射極限的極小熱傳導和快速響應時間。這些特性自然適合于高靈敏度的紅外檢測。作為一個額外的好處，這種高Q值膜諧振器的幾個已證明的材料平臺與已建立的互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝自然兼容，使這種傳感器能夠直接擴展到大規模集成陣列。值得注意的是，這個特殊的演示不是受限于MEMS諧振器的熱力學特性，而是受限于電子讀出噪聲。第二，與前述聲明密切相關的是，最常研究的光機械膜諧振器與全光詢問和量子限制的測量技術兼容。利用可見光或近紅外光源和光電檢測技術對紅外誘導的共振器頻率偏移進行射出噪聲限制測量的可能性，可以大大緩解讀出電子噪聲、電子元件的（1/f）噪聲、ROIC制造的復雜性、與紅外傳感器材料的不兼容性以及傳感器模式對大規模陣列的可擴展性等眾多問題。此外，微諧振器的近紅外光學特性和全光測量靈敏度有可能通過使用微型或納米級的嵌入式光腔結構和光子晶體來定制，這些結構可以可靠地融入諧振器薄膜。這種讀出技術也可以作為薄膜紅外吸收器和最終的電子讀出電路之間的 "光學管道"，進一步將諧振器與雜散噪聲源或串擾隔離開來，這在大規模陣列中可能成為主導。第三，薄膜高Q值MEMS或光機械諧振器的一個未被充分利用的方面是存在豐富的空間和光譜上可區分的特征模式的光譜。與通過一個孤立的機械模式的頻移來估計吸收的紅外輻射不同，同時對紅外吸收引起的大量諧振特征模式的頻移進行全光檢測，可以采用頻分復用（FDM）技術來提高信噪比（SNR）、共模抑制雜散或不相關的噪聲源、被動補償環境熱漂移，以及其他“多模式”技術來改善數據采集、優化信號估計和提高靈敏度。第四，這種探測方式適合納入廣泛和多樣的天然和合成材料，用于窄帶、動態可調諧或多光譜紅外探測。本質材料，如黑磷、石墨烯單層、雙層和鼓頭諧振器、碳納米管薄膜涂層和納米結構超材料，已被證明在紅外光譜的中波（MWIR）和長波（LWIR）區域表現出高度選擇性、可調諧和窄帶紅外吸收特性，這是OpTIm項目特別關注的。由于制造上的不相容性或缺乏電子尋址能力，這些材料中有許多不容易被納入現有的微測輻射計或光電探測器中。然而，將這些材料沉積在光機械諧振器的“骨架”上，形成薄膜異質結構，有可能將這些材料的光譜選擇性與光機械紅外傳感器的高靈敏度、頻移模式和全光讀出能力相結合，從而進入光譜定向、動態可調和多光譜紅外檢測的新階段，其性能水平遠遠超過目前的最先進水平（SoA）。最后，使用高度隔離的、超低質量的鼓頭或蹦床諧振器進行紅外探測，并將吸收的紅外輻射直接轉化為特征頻率變化，有可能實現快速反應時間和高信號帶寬，遠遠超過在傳統的“平衡”時間尺度。穆昆德·文加拉托雷說：“試圖使用這些方法中的任何一種來提高紅外傳感能力都是困難的，但也不是太困難。OpTIm之所以成為一個令人難以置信的挑戰，如果我們成功的話，會產生革命性的影響，就是將所有這三種方法結合起來。我們不是在尋找僅僅通過在信號讀取、噪音緩解或光譜選擇性方面的進化改進來增強現有的紅外檢測模式。從科學的角度和面向應用的角度來看，這項項目令人振奮的是，OpTIm試圖在光學機械學、材料物理學、光子學和計量學的交匯處匯集創新的解決方案，對一個老問題進行重新審視。在一天結束的時候，對于所有以OpTIm為基礎的探測器的預計能力而想到的應用，可能還有許多我們尚未想象到的應用將由這種新的紅外探測系統產生。”這些方面結合在一起，預示著紅外探測的新制度，其性能指標比目前的非冷卻熱探測器有了很大的改進。雖然這種新的紅外探測模式的上述每個方面都已被單獨證明，但OpTIm項目尋求創新提案，將這些方面整合到一個單一的傳感器中，以驗證和測試一類新的光機紅外探測器，能夠達到前所未有的紅外探測靈敏度、信號帶寬和光譜選擇性水平。OpTIm項目旨在以這些新的努力為基礎，在中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）系統中展示一類新的室溫集成光學機械紅外探測器，其性能指標彌補了室溫微測輻射計和低溫量子限制紅外光電探測器之間的差距。為此，OpTIm將探索本征紅外敏感材料、納米組裝超材料和異質結構的多樣化空間，將增強的紅外吸收、多光譜或偏振敏感紅外能力與高Q值光機諧振器集成和量子限制光學讀出相結合。在這一探索的基礎上，OpTIm將對這一新型紅外探測概念的基本要素進行驗證和評估。這些要素包括：1.在高Q值薄膜諧振器或異構膜諧振器中實現光譜定制的窄帶、多光譜或偏振敏感的紅外吸收；2.由于這些諧振器的高內在質量因子、低熱機械噪聲、低熱質量和低分數頻率不穩定性，可以快速和準確地確定諧振器特征模式中的紅外誘導頻率變化；3.通過利用可見光或近紅外光檢測技術，對這些接近或達到量子極限精度的頻率偏移進行全光檢測。這種全光協議可以潛在地規避ROIC引起的噪聲源、制造不兼容或阻礙傳統微測輻射計技術的相關問題。OpTIm還旨在建立這種新的紅外探測模式的基本靈敏度、帶寬、噪聲和性能極限。具體來說，超出范圍的活動包括：主要對現有的紅外探測技術的SoA進行改進的工作；通過增強讀出集成電路（ROIC）來改進當前微測輻射計技術的SoA的工作；改進微測輻射計材料的生長、制造或其他主要用于提高微測輻射計材料的響應性的工作；通過低溫或其他形式的冷卻來獲得增強的紅外探測性能。側重于上述主題的摘要和提案可能被確定為不符合要求，并可能被從審議中刪除。OpTIm是一個為期60個月的項目，分為兩個階段：30個月的第一階段基礎期和30個月的第二階段選擇期。項目架構如下所述。第一階段（30個月）的重點是驗證OpTIm裝置的概念。在此期間，研究團隊將開展以下工作：1.探索、開發和制造傳感器材料，將低噪聲、高Q值的光學機械特性與可調諧、窄帶或多光譜的紅外敏感吸收特性相結合；2.在有效面積小于（100平米）的單像素探測器中展示紅外誘導的諧振器特征模式的改變；3.描述探測器材料/異構所產生的紅外靈敏度和紅外光譜特性；4.展示第一階段的探測器指標：單像素噪聲等效功率（NEP）<1 pW/Hz1/2，信號帶寬>10 kHz。該項目劃的進展將根據國防部感興趣的探測器屬性以及研究團隊如何應對下文中描述的技術挑戰進行評估。項目審查將在第13和第28個月進行，以評估研究團隊在第一階段指標方面的進展，并促進DARPA第二階段的選擇決定。在第一階段獲得成功的研究團隊可能會被選中進入第二階段。第二階段（30個月）是以第一階段的成功為條件的，并將在第一階段的基礎上進行以下工作：?1.展示光機檢測器的全光學訊號和第一階段開發的單像素檢測器的紅外信號的光學讀出；2.調整、優化和描述性能交易空間，包括檢測器靈敏度、動態范圍、信號帶寬、光譜和偏振特性、光機共振器光譜的阿朗方差，以及光學讀出的性能指標（例如，有限頻率分辨率的射擊噪聲）；3.展示第二階段探測器的指標：單像素NEP<0.1 pW/Hz1/2，信號帶寬>100 kHz。性能交易空間可能是針對紅外探測器的目標應用的，并將在第一階段通過研究團隊和DARPA之間的討論，根據需要最終確定。這些測量結果將為OpTIm模式的基本靈敏度極限、主要噪聲源和整體探測器性能的其他方面提供信息。如上所述，OpTIm項目的目的是驗證、描述和評估一類新的光機紅外探測器。涉及OpTIm項目的技術領域一（TA1）具體相關的性能屬性是紅外靈敏度?(為了便于在OpTIm范式內對材料、幾何形狀和探測器策略進行最廣泛的探索，TA1項目的指標已經縮減到最低要求，即紅外靈敏度和信號帶寬。光譜吸收特性是由提案人指定的，其限制條件是所提出的解決方案要在MWIR（2.5-5.0米）或LWIR（8-14米）內進行紅外探測。成功的方案將探索新的材料、光學讀出策略、制造策略和集成方法，以背景中闡述的OpTIm探測器概念的各個層面為指導進行紅外探測。DAARPA要求項目提案者應提供其提議的OpTIm探測器的描述，并包括足夠的細節，以便評估其方法的有效性和其提議裝置的實驗可行性，以滿足OpTIm項目的目標和指標。1.光機或MEMS諧振器的材料和幾何形狀。描述中應包括擬議的制造路線和熱力學特性、本征譜、機械品質因素、分數頻率不穩定性和熱特性（熱電容、基底熱傳導和輻射熱傳導）的估計的簡要概述。應詳細介紹使熱機械噪音低和與環境干擾高度隔離的方法。2.紅外吸收器材料、納米材料或異構。說明應包括簡要概述擬在諧振器上制造吸收器或異構，異構對底層諧振器的熱力學性能可能產生的影響，以及對吸收器材料的光譜特性的估計/模擬/討論。實現快速反應時間和高紅外靈敏度的途徑應詳細說明，并通過初步建模和模擬來證實。3.在MWIR或LWIR光譜中估計的紅外吸收峰值、光譜檢測帶（中心波長0和光譜范圍），或對多光譜檢測輪廓的類似描述。5.噪聲的主要來源、不穩定性、漂移效應和其他對設備概念的潛在限制，以及減輕這些影響的擬議策略。提案者應明確說明達到TA一計劃目標和指標的方法和理由。雖然OpTIm項目的全部內容都將集中在單像素探測器的演示、驗證和表征上，但提案者應討論其提出的解決方案在多像素陣列中的潛在可擴展性。OpTIm的結構是演示、鑒定和測試一類新的室溫光機械紅外探測器，與國防部感興趣的應用有關。提案者應明確整個執行期的研究和技術開發計劃，分為第一階段和第二階段。工作說明書（SOW）應提供詳細的任務分解，并列出具體的任務和中期里程碑和指標（如適用）。提案者應提供符合整個項目時間表的技術和計劃戰略，并提出一個積極的計劃，以充分實現所有的計劃目標、指標、里程碑和交付成果。任務結構應在建議的時間表、工作說明和成本量中保持一致。為了項目目的，可以假定2023年5月為目標開始日期。在整個項目過程中，各研究的時間表將按要求同步進行，并根據需要進行監督/修訂。?所有提案必須在擬議的時間表和費用中包括以下會議和差旅。1.為了繼續整個項目的整合和發展，促進團隊之間的合作，并傳播項目的發展，為期兩天的首席研究員（PI）會議將大約每六個月舉行一次，地點在美國東西兩岸。出于預算考慮，計劃在60個月內舉行9次為期兩天的會議：6次在華盛頓特區舉行，3次在加州舊金山地區舉行。2.將安排與政府團隊的定期電話會議，以報告進展情況以及發現和緩解問題。提案者應預計DARPA項目經理在每個階段至少進行一次現場訪問，在此期間他們將有機會展示在商定的里程碑方面取得的進展。在特定季度結束后的10天內提交全面的季度技術報告，描述在工作任務中規定的具體里程碑方面取得的進展。在每個階段結束后30天內提交一份階段性完成報告，總結所做的研究。其他針對個別工作目標的協商交付物。這些可能包括注冊報告；實驗方案；出版物；數據管理計劃；軟件庫、代碼和API的中間和最終版本，包括文檔和用戶手冊；設計文件、模型、建模數據和結果以及模型驗證數據的綜合匯編。
