2022年9月2日，美国防高级研究计划局（DARPA）宣布推出“光机热成像”（OpTIm）项目，旨在开发具有量子级性能的新型、紧凑和室温红外传感器，以弥合能力有限的非制冷热探测器和高性能低温冷却光电探测器之间的性能差距。
据DARPA国防科学办公室（DSO）负责OpTIm的项目经理穆昆德·文加拉托雷（Mukund Vengalattore）介绍：“如果研究人员能够达到该项目的指标，我们将使红外探测在灵敏度、光谱控制和响应时间方面比目前的室温红外装置有数量级的改进。在室温下实现量子级灵敏度的紧凑型红外传感器将改变战场监视、夜视以及地面和太空成像。它还将实现大量的商业应用，包括用于非侵入性癌症诊断的红外光谱学，从人的呼吸或空气中开展高度准确和即时的病原体检测，以及对农业和植物健康威胁的病前检测。”
红外（IR）探测器是一个巨大的应用空间的基础，包括夜视、生化光谱学、自动化和气候科学。目前的红外检测技术依赖于光检测或热检测。虽然红外光电探测器原则上可以达到量子级的灵敏度，但它们需要低温冷却以减轻暗电流和其他噪声源。相比之下，热检测器，如微测辐射计，可以在室温下工作，但性能水平要低得多。因此，在未冷却的热探测器和低温冷却的光电探测器之间，红外探测技术存在着明显的性能差距。此外，这些检测策略往往受到低材料响应性、高电子噪音、制造复杂性和其他读出集成电路（ROIC）的限制。近年来，在微电子机械谐振器和光机谐振器的基础上，出现了非制冷红外检测的替代模式。与依靠将吸收的红外辐射转变成电阻变化的辐射计相比，基于微谐振器的红外探测器将吸收的辐射转变成其谐振模式的相应频移。首先，微电子机械系统（MEMS）和光学机械界的广泛努力导致了超相干薄膜谐振器的发展，这些谐振器在各种材料中表现出超过106-107的室温质量系数，包括晶体硅、氮化硅、碳化硅和金刚石薄膜。这些非凡的热力学特性可以通过纳米系膜谐振器或声学带隙得到进一步加强。这些特性也导致了较低的热质量、接近基本辐射极限的极小热传导和快速响应时间。这些特性自然适合于高灵敏度的红外检测。作为一个额外的好处，这种高Q值膜谐振器的几个已证明的材料平台与已建立的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺自然兼容，使这种传感器能够直接扩展到大规模集成阵列。值得注意的是，这个特殊的演示不是受限于MEMS谐振器的热力学特性，而是受限于电子读出噪声。第二，与前述声明密切相关的是，最常研究的光机械膜谐振器与全光询问和量子限制的测量技术兼容。利用可见光或近红外光源和光电检测技术对红外诱导的共振器频率偏移进行射出噪声限制测量的可能性，可以大大缓解读出电子噪声、电子元件的（1/f）噪声、ROIC制造的复杂性、与红外传感器材料的不兼容性以及传感器模式对大规模阵列的可扩展性等众多问题。此外，微谐振器的近红外光学特性和全光测量灵敏度有可能通过使用微型或纳米级的嵌入式光腔结构和光子晶体来定制，这些结构可以可靠地融入谐振器薄膜。这种读出技术也可以作为薄膜红外吸收器和最终的电子读出电路之间的 "光学管道"，进一步将谐振器与杂散噪声源或串扰隔离开来，这在大规模阵列中可能成为主导。第三，薄膜高Q值MEMS或光机械谐振器的一个未被充分利用的方面是存在丰富的空间和光谱上可区分的特征模式的光谱。与通过一个孤立的机械模式的频移来估计吸收的红外辐射不同，同时对红外吸收引起的大量谐振特征模式的频移进行全光检测，可以采用频分复用（FDM）技术来提高信噪比（SNR）、共模抑制杂散或不相关的噪声源、被动补偿环境热漂移，以及其他“多模式”技术来改善数据采集、优化信号估计和提高灵敏度。第四，这种探测方式适合纳入广泛和多样的天然和合成材料，用于窄带、动态可调谐或多光谱红外探测。本质材料，如黑磷、石墨烯单层、双层和鼓头谐振器、碳纳米管薄膜涂层和纳米结构超材料，已被证明在红外光谱的中波（MWIR）和长波（LWIR）区域表现出高度选择性、可调谐和窄带红外吸收特性，这是OpTIm项目特别关注的。由于制造上的不相容性或缺乏电子寻址能力，这些材料中有许多不容易被纳入现有的微测辐射计或光电探测器中。然而，将这些材料沉积在光机械谐振器的“骨架”上，形成薄膜异质结构，有可能将这些材料的光谱选择性与光机械红外传感器的高灵敏度、频移模式和全光读出能力相结合，从而进入光谱定向、动态可调和多光谱红外检测的新阶段，其性能水平远远超过目前的最先进水平（SoA）。最后，使用高度隔离的、超低质量的鼓头或蹦床谐振器进行红外探测，并将吸收的红外辐射直接转化为特征频率变化，有可能实现快速反应时间和高信号带宽，远远超过在传统的“平衡”时间尺度。穆昆德·文加拉托雷说：“试图使用这些方法中的任何一种来提高红外传感能力都是困难的，但也不是太困难。OpTIm之所以成为一个令人难以置信的挑战，如果我们成功的话，会产生革命性的影响，就是将所有这三种方法结合起来。我们不是在寻找仅仅通过在信号读取、噪音缓解或光谱选择性方面的进化改进来增强现有的红外检测模式。从科学的角度和面向应用的角度来看，这项项目令人振奋的是，OpTIm试图在光学机械学、材料物理学、光子学和计量学的交汇处汇集创新的解决方案，对一个老问题进行重新审视。在一天结束的时候，对于所有以OpTIm为基础的探测器的预计能力而想到的应用，可能还有许多我们尚未想象到的应用将由这种新的红外探测系统产生。”这些方面结合在一起，预示着红外探测的新制度，其性能指标比目前的非冷却热探测器有了很大的改进。虽然这种新的红外探测模式的上述每个方面都已被单独证明，但OpTIm项目寻求创新提案，将这些方面整合到一个单一的传感器中，以验证和测试一类新的光机红外探测器，能够达到前所未有的红外探测灵敏度、信号带宽和光谱选择性水平。OpTIm项目旨在以这些新的努力为基础，在中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）系统中展示一类新的室温集成光学机械红外探测器，其性能指标弥补了室温微测辐射计和低温量子限制红外光电探测器之间的差距。为此，OpTIm将探索本征红外敏感材料、纳米组装超材料和异质结构的多样化空间，将增强的红外吸收、多光谱或偏振敏感红外能力与高Q值光机谐振器集成和量子限制光学读出相结合。在这一探索的基础上，OpTIm将对这一新型红外探测概念的基本要素进行验证和评估。这些要素包括：1.在高Q值薄膜谐振器或异构膜谐振器中实现光谱定制的窄带、多光谱或偏振敏感的红外吸收；2.由于这些谐振器的高内在质量因子、低热机械噪声、低热质量和低分数频率不稳定性，可以快速和准确地确定谐振器特征模式中的红外诱导频率变化；3.通过利用可见光或近红外光检测技术，对这些接近或达到量子极限精度的频率偏移进行全光检测。这种全光协议可以潜在地规避ROIC引起的噪声源、制造不兼容或阻碍传统微测辐射计技术的相关问题。OpTIm还旨在建立这种新的红外探测模式的基本灵敏度、带宽、噪声和性能极限。具体来说，超出范围的活动包括：主要对现有的红外探测技术的SoA进行改进的工作；通过增强读出集成电路（ROIC）来改进当前微测辐射计技术的SoA的工作；改进微测辐射计材料的生长、制造或其他主要用于提高微测辐射计材料的响应性的工作；通过低温或其他形式的冷却来获得增强的红外探测性能。侧重于上述主题的摘要和提案可能被确定为不符合要求，并可能被从审议中删除。OpTIm是一个为期60个月的项目，分为两个阶段：30个月的第一阶段基础期和30个月的第二阶段选择期。项目架构如下所述。第一阶段（30个月）的重点是验证OpTIm装置的概念。在此期间，研究团队将开展以下工作：1.探索、开发和制造传感器材料，将低噪声、高Q值的光学机械特性与可调谐、窄带或多光谱的红外敏感吸收特性相结合；2.在有效面积小于（100平米）的单像素探测器中展示红外诱导的谐振器特征模式的改变；3.描述探测器材料/异构所产生的红外灵敏度和红外光谱特性；4.展示第一阶段的探测器指标：单像素噪声等效功率（NEP）<1 pW/Hz1/2，信号带宽>10 kHz。该项目划的进展将根据国防部感兴趣的探测器属性以及研究团队如何应对下文中描述的技术挑战进行评估。项目审查将在第13和第28个月进行，以评估研究团队在第一阶段指标方面的进展，并促进DARPA第二阶段的选择决定。在第一阶段获得成功的研究团队可能会被选中进入第二阶段。第二阶段（30个月）是以第一阶段的成功为条件的，并将在第一阶段的基础上进行以下工作： 1.展示光机检测器的全光学讯号和第一阶段开发的单像素检测器的红外信号的光学读出；2.调整、优化和描述性能交易空间，包括检测器灵敏度、动态范围、信号带宽、光谱和偏振特性、光机共振器光谱的阿朗方差，以及光学读出的性能指标（例如，有限频率分辨率的射击噪声）；3.展示第二阶段探测器的指标：单像素NEP<0.1 pW/Hz1/2，信号带宽>100 kHz。性能交易空间可能是针对红外探测器的目标应用的，并将在第一阶段通过研究团队和DARPA之间的讨论，根据需要最终确定。这些测量结果将为OpTIm模式的基本灵敏度极限、主要噪声源和整体探测器性能的其他方面提供信息。如上所述，OpTIm项目的目的是验证、描述和评估一类新的光机红外探测器。涉及OpTIm项目的技术领域一（TA1）具体相关的性能属性是红外灵敏度 (为了便于在OpTIm范式内对材料、几何形状和探测器策略进行最广泛的探索，TA1项目的指标已经缩减到最低要求，即红外灵敏度和信号带宽。光谱吸收特性是由提案人指定的，其限制条件是所提出的解决方案要在MWIR（2.5-5.0米）或LWIR（8-14米）内进行红外探测。成功的方案将探索新的材料、光学读出策略、制造策略和集成方法，以背景中阐述的OpTIm探测器概念的各个层面为指导进行红外探测。DAARPA要求项目提案者应提供其提议的OpTIm探测器的描述，并包括足够的细节，以便评估其方法的有效性和其提议装置的实验可行性，以满足OpTIm项目的目标和指标。1.光机或MEMS谐振器的材料和几何形状。描述中应包括拟议的制造路线和热力学特性、本征谱、机械品质因素、分数频率不稳定性和热特性（热电容、基底热传导和辐射热传导）的估计的简要概述。应详细介绍使热机械噪音低和与环境干扰高度隔离的方法。2.红外吸收器材料、纳米材料或异构。说明应包括简要概述拟在谐振器上制造吸收器或异构，异构对底层谐振器的热力学性能可能产生的影响，以及对吸收器材料的光谱特性的估计/模拟/讨论。实现快速反应时间和高红外灵敏度的途径应详细说明，并通过初步建模和模拟来证实。3.在MWIR或LWIR光谱中估计的红外吸收峰值、光谱检测带（中心波长0和光谱范围），或对多光谱检测轮廓的类似描述。5.噪声的主要来源、不稳定性、漂移效应和其他对设备概念的潜在限制，以及减轻这些影响的拟议策略。提案者应明确说明达到TA一计划目标和指标的方法和理由。虽然OpTIm项目的全部内容都将集中在单像素探测器的演示、验证和表征上，但提案者应讨论其提出的解决方案在多像素阵列中的潜在可扩展性。OpTIm的结构是演示、鉴定和测试一类新的室温光机械红外探测器，与国防部感兴趣的应用有关。提案者应明确整个执行期的研究和技术开发计划，分为第一阶段和第二阶段。工作说明书（SOW）应提供详细的任务分解，并列出具体的任务和中期里程碑和指标（如适用）。提案者应提供符合整个项目时间表的技术和计划战略，并提出一个积极的计划，以充分实现所有的计划目标、指标、里程碑和交付成果。任务结构应在建议的时间表、工作说明和成本量中保持一致。为了项目目的，可以假定2023年5月为目标开始日期。在整个项目过程中，各研究的时间表将按要求同步进行，并根据需要进行监督/修订。 所有提案必须在拟议的时间表和费用中包括以下会议和差旅。1.为了继续整个项目的整合和发展，促进团队之间的合作，并传播项目的发展，为期两天的首席研究员（PI）会议将大约每六个月举行一次，地点在美国东西两岸。出于预算考虑，计划在60个月内举行9次为期两天的会议：6次在华盛顿特区举行，3次在加州旧金山地区举行。2.将安排与政府团队的定期电话会议，以报告进展情况以及发现和缓解问题。提案者应预计DARPA项目经理在每个阶段至少进行一次现场访问，在此期间他们将有机会展示在商定的里程碑方面取得的进展。在特定季度结束后的10天内提交全面的季度技术报告，描述在工作任务中规定的具体里程碑方面取得的进展。在每个阶段结束后30天内提交一份阶段性完成报告，总结所做的研究。其他针对个别工作目标的协商交付物。这些可能包括注册报告；实验方案；出版物；数据管理计划；软件库、代码和API的中间和最终版本，包括文档和用户手册；设计文件、模型、建模数据和结果以及模型验证数据的综合汇编。
