Bio-inspirerede algoritmer muliggør et mønster af tusindvis af huller i nanoskala i metalfilm til højteknologisk optisk sikkerhed

Pengesedler og kreditkort kan snart indeholde forbedrede anti-falsknings-hologrammer takket være en 'fotonsigte' udviklet af A*STAR-forskere og -kolleger.

Hologrammer indeholder komplekse, tredimensionel billedinformation, der gør dem svære – men ikke umulige – at forfalske. En måde at forbedre deres sikkerhed på er ved at bruge sofistikerede enheder, der forbedrer holografisk opløsning. Nanofotoniske enheder implementerer arrays af lysspredningspixels i nanoskala, der koder for yderligere lag af information gennem optiske "nærfelts"-interaktioner mellem lasere og pixels.

For nylig, forskere har vist huller i nanoskala skåret i tynde metalplader for at være effektive lysspredningspixel. Overraskende nok, når disse nanohuller er arrangeret tilfældigt, i stedet for periodisk, det genererede hologram bliver mere ensartet. Design af enheder med tilfældigt arrangerede komponenter, imidlertid, er teknisk udfordrende, da parametre som nanohulsradius og -afstand kan variere over en lang række værdier.

For at overvinde disse forhindringer, Jinghua Teng fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger udtænkte en teoretisk metode, der dekonstruerer det komplekse diffrakterede felt fra et enkelt nanohul til simple analytiske udtryk, der kan løses nøjagtigt. Ved at overlejre løsningerne sammen, de kan beregne lokalt, specificerede elektriske felter i stedet for at bruge betydelige beregningsressourcer til numerisk at simulere hele det nanofotoniske array.

Forskerne henvendte sig til genetiske algoritmer for effektivt at arrangere hullerne i et fotonsigte-arrangement. Ved gentagne gange at parre, overfart, og muterende 'kromosomer' indeholdende forskellige 'gener' - etiketter af forskellige nanohulstørrelser og -positioner - udvikler sig et aperiodisk mønster, der optimerer holografisk lysstyring baseret på de forenklede elektriske feltberegninger.

Næste, holdet brugte elektronstrålelitografi til at gøre deres design til en praktisk enhed ved at ætse over 34, 000 aperiodiske nanohuller til en tynd kromfilm (se billede). Den resulterende prototype øgede diffraktionseffektiviteten med næsten 50 procent sammenlignet med konventionelle nanofotoniske enheder med billedopløsning hundredvis af gange bedre. Almindelige holografiske fejl eller 'artefakter' såsom tvillingebilleder blev også elimineret gennem denne teknik.

"De holografiske billeder af høj kvalitet er lovende til applikationer som anti-forfalskning, optisk kryptering og bærbart informationsidentifikationssystem, " siger Teng. "F.eks. det kunne bruges til at bekæmpe falskmøntneri i pengesedler, med sin ultra-kompakte størrelse, høj kvalitet, og endda holografier på flere niveauer."

Forskerne demonstrerede en anden anvendelse af deres tilgang ved at designe et 'superfokuserende' system, der kan opløse objekter, der er mindre end lysets bølgelængde. Med nanohullerne arrangeret i koncentriske ringe, fotonsigte-linsen fokuserer lys ned til pletter, der kun er 200 nanometer brede - skalaer, der er nyttige til biologisk billeddannelse og optiske manipulationer.