Skjult infrarød billedkodning - gemmer sig ved plasmonisk syn

Plasmoniske materialer kan entydigt kontrollere det elektromagnetiske spektrum på grund af overfladearkitektur i nanoskala. Nylige fremskridt inden for nanoteknologi og materialevidenskab og deres kombinerede kapacitet til at udvikle kontrollerede geometrier på nanoskala fortsætter med at udvikle sig, som observeret med optiske egenskaber ved amplitude, fase- og bølgefronter til materialer i optik. Selvom forskere har fokuseret på individuelle frekvenser og bølgelængder, få undersøgelser har forsøgt at kontrollere grundlæggende egenskaber på tværs af flere elektromagnetiske frekvensregimer. For eksempel, multispektrale systemer kan etablere nye overflader med kombinerede funktioner, såsom reflekterende flerlag, der selektivt absorberer og udsender infrarødt lys i gennemsigtige atmosfæriske vinduer til termisk styring. Tilsvarende plasmoniske filtre med afstembar resonans kan bruges til multispektral farvebilleddannelse. Disse begreber kan anvendes til at opnå camouflage og anti-forfalskningsteknikker.

Resonanser i sådanne systemer forekommer som ophidsede elektriske og magnetiske multipoltilstande, der afhænger af geometrier og dimensioner af bestanddele på grund af iboende træk ved plasmonhybridisering og plasmon-phonon-kobling. Sådanne træk kan effektivt bruges til at konstruere optiske overfladeegenskaber for et materiale. Imidlertid, forsøg på at kontrollere strukturelle parametre og rumme et specifikt spektralregime kan påvirke resonanser af højere orden i områder med lavere bølgelængde, resulterer i en mangel på uafhængig kontrol af optisk karakter i specifikke spektrale områder.

I en nylig undersøgelse, en ny anordning anvendte plasmonik til at styre en række bølgelængder af lys ved hjælp af et nanostruktureret system med flere lag hulrum. Det plasmoniske system opretholdt kontinuerligt afstemt absorption i hele midten af ​​bølgen (3-5 µm) og langbølge (8-12 µm) infrarøde (MWIR og LWIR) atmosfæriske gennemsigtighedsvinduer, samtidig med at man bevarer næsten invariante synlige egenskaber. Enheden blev designet og udviklet af Daniel Franklin og kolleger i Institut for Fysik og fremstillet med et dielektrisk lag mønstret med regelmæssigt adskilte huller i nano-størrelse. Af design, nanostrukturerne blev klemt mellem et reflekterende metallisk spejl og et tyndt øvre guldlag med huller svarende til den midterste skive. Funktionelt, spektralresponsen af ​​den flerlags hulrumskoblede nanostruktur var afhængig af interaktioner mellem plasmoniske resonanser, diffraktion og hulrumsfeedback.

Resonansfunktionen for hvert regime blev defineret og udforsket ved hjælp af numeriske simuleringer med finite-difference time-domain (FDTD). Parametrene blev identificeret og varieret for at skabe en eksperimentel infrarød (IR) farvepalet. Sådanne billeder blev gjort synlige med IR-kameraer, men blev skjult i det synlige domæne ved konsekvent pixel-til-pixel plasmonisk absorption og diffraktion. Undersøgelsen brugte en multispektral ingeniøropsætning til at demonstrere hulrumsinduceret plasmonik til applikationer i camouflage- og anti-forfalskning teknologier. Værket er nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer .

Som et princip-bevis, Franklin et al. kodede billeder og data på materialeoverflader og observerede dem ved hjælp af infrarøde og synlige kameraer for at demonstrere potentialet i det hulrumskoblede plasmoniske system. I teknikken, forskerne skabte et kort mellem diametre på en given pixel og gråtoneværdier på overfladen for at se dem via infrarød kameraafbildning. Billedet blev først kodet ved hjælp af direkte laserskrivning på en master template -polymer, der blev brugt til at fremstille den nanostrukturerede overflade ved hjælp af nanoimprint litografi (NIL). Før og efter NIL-processen blev de producerede tre-lags metalliske hulrum afbildet ved hjælp af scanningelektronmikroskopi (SEM) til overfladekarakterisering.

Ved at variere laserskrivningsparametrene (effekt og hastighed) i masterskrivningsprocessen, forskerne opnåede en række huldiametre til mellembølge-infrarøde (MWIR) og langbølgede infrarøde (LWIR) enheder. Afhængig af vinklen på indfaldende lys og betragtningsvinkel, når det ses af øjet eller ved hjælp af et synligt regime -kamera, den kodede overflade fremstod som en ensartet farveblok. Imens viste det infrarøde kamera de kodede gråtonebilleder i en opløsning afhængig af plasmoniske overflader.

Forskerne foretog synlige og infrarøde spektrometermålinger af de fremstillede plasmoniske systemer. De infrarøde resonansoverflader blev afbildet ved hjælp af kameraer designet til deres respektive driftsbånd. En afkølet indium-antimonid-detektor blev brugt til at se MWIR-overfladerne og en uafkølet VO _x mikrobolometer kamera blev brugt til at se LWIR overfladen. Dipolær kobling mellem rækken af ​​huller/diske og deres interaktion med optisk hulrum dikterede den infrarøde respons. Diffraktion i til Fabry-Perot hulrumstilstande dominerede det synlige regime. Gråtonebilleder og data blev kodet ind i overfladerne ved at kortlægge diameteren af ​​hullerne i det plasmoniske system til respektive pixels.

Da det hulrumskoblede plasmoniske system var spændt ved resonans, sammenhængende vekselvirkninger mellem fotoner og den frie elektrontæthed i metallet producerede kollektivt ladede svingninger kendt som overfladeplasmoner. Højdensitetsladningslokalisering og mikrostrømme var resultatet af interaktioner på kanterne af de metalliske elementer, hvis energi forsvandt ved ohmisk tab.

Ved at variere systemets parametre, forskerne kodede billeder på overfladen inden for et ønsket spektralområde, mens disse billeder ikke syntes at være synlige i andre. For eksempel, et billede, der er kodet inden for mid-wave infrarød (MWIR) vindue, optrådte som et gråtonebillede, når det blev set gennem et MWIR -kamera, selvom udseendet inden for det synlige område og langbølge-infrarøde (LWIR) regime forblev en konstant farve.

Forskerne karakteriserede optiske træk ved det hulrumskoblede plasmoniske system i undersøgelsen og kategoriserede dem efter geometriske træk i forhold til bølgelængden af ​​indfaldende lys (λ _inkl ). For at demonstrere denne effekt, to enheder blev primært defineret og simuleret i undersøgelsen ledet af forskergruppen til at operere i MWIR og LWIR atmosfæriske gennemsigtighedsvinduer. De multispektrale reflektansspektre for de respektive overflader blev beregnet som funktion af hullets diameter ved hjælp af FDTD-metoden.

Når det indfaldende lys var betydeligt større end mønsteret, systemet opførte sig som et metalplan eller spejl. Da det indfaldende lys faldt, ekstraordinær lystransmission skete gennem sub-bølgelængden hul-disk-array, på grund af induceret plasmonresonans, kobling af den elektromagnetiske bølge ind i hulrummet. Da det indfaldende lys blev sammenligneligt med arrayets strukturelle dimension, systemet understøttede plasmoniske og interferensresonanser af højere orden på grund af den indledende hulrumsinterne diffraktion. Ved hjælp af parameterundersøgelsen, Franklin et al. identificerede to mulige ruter til opnåelse af infrarød kodning; (i) hullernes diameter og (ii) reliefdybden – samtidig med at ensartet synlig absorption opretholdes.

Forskerne kvantificerede diffraktionseffektivitet i undersøgelsen for MWIR- og LWIR -enheder som en funktion af huldiameter ved hjælp af FDTD. Resultaterne viste, at enheder kunne indstilles til forskellige bølgelængder; primært gennem de infrarøde gennemsigtighedsvinduer ved at ændre hul/diskdiameter og opretholde pixel-til-pixel lysstyrke i det synlige domæne. Den kodede information var ikke 'usynlig' for forskellige bølgelængder, i modsætning hertil overskred dimensionerne af det plasmoniske hul-skive-system diffraktionsgrænsen for det synlige lys. Individuelle træk var synlige med mål med høj forstørrelse. Undersøgelsen kombinerede let fremstilling og kompatibilitet på fleksible underlag for at konstruere enhedens arkitektur. Resultaterne vil føre til nye plasmoniske overflader med multispektrale funktioner til kodning af information.

© 2018 Science X Network