Infraröd kodad data och bilder. a) Bild av den afghanska flickan (Copyright Steve McCurry/Magnum Photos. Bildrättigheter beviljade av Magnum Photos New York) som kodas in i den plasmoniska ytan genom att kartlägga hålets diameter till infraröd gråskala. b) Synlig kamera (EOS Rebel T6i, Canon) och c) infraröd bild av den kodade MWIR -ytan tagen med en kyld indiumantimoniddetektor (A8300sc, FLIR). MWIR Afghan Girl -kodningsenheten är 1 × 0,75 mm2 stor. Samma procedur utförs för LWIR -domänen och bilder som ska kodas är d) Einsteins och en QR -kod från författarens webbplats (http:/nanoscience.ucf.edu/chanda). e) En synlig kamera (EOS Rebel T6i, Canon) och f) LWIR-infraröda bilder tagna med en okyld VOX-mikrobolometerkamera (HD-1024, Johns optiska system). Det Einstein -kodade provområdet är 1,25 × 1 mm2, och QR -koden är 1 × 1 mm2. Kredit:Light - Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Plasmoniska material kan på ett unikt sätt styra det elektromagnetiska spektrumet på grund av nanoskala ytarkitektur. De senaste framstegen inom nanoteknik och materialvetenskap och deras kombinerade förmåga att utveckla kontrollerade geometrier i nanoskala fortsätter att utvecklas, som observerats med optiska egenskaper för amplitud, fas- och vågfronter för material inom optik. Även om forskare har fokuserat på individuella frekvenser och våglängder, få studier har försökt kontrollera grundläggande egenskaper över flera elektromagnetiska frekvensregimer. Till exempel, multispektrala system kan etablera nya ytor med kombinerade funktioner, till exempel reflekterande flerlager som selektivt absorberar och avger infrarött ljus i genomskinliga atmosfäriska fönster för termisk hantering. Liknande, plasmoniska filter med avstämbar resonans kan användas för multispektral färgbild. Dessa koncept kan tillämpas för att uppnå kamouflage- och förfalskningstekniker.
Resonanser i sådana system uppstår som exciterade elektriska och magnetiska multipol-lägen som är beroende av geometrier och dimensioner av beståndsdelar på grund av inneboende egenskaper hos plasmonhybridisering och plasmon-fononkoppling. Sådana egenskaper kan effektivt användas för att konstruera optiska ytegenskaper hos ett material. Dock, försök att kontrollera strukturella parametrar och rymma en specifik spektralregim kan påverka resonanser av högre ordning i lägre våglängdsområden, vilket resulterar i en brist på oberoende kontroll av optisk karaktär i specifika spektralregioner.
I en färsk studie, en ny anordning använde plasmonik för att styra en mängd olika våglängder av ljus med hjälp av ett flerskiktshålrumskopplat nanostrukturerat system. Det plasmoniska systemet upprätthåller kontinuerligt avstämbar absorption genom hela mitten av vågen (3-5 µm) och långvågiga (8-12 µm) infraröda (MWIR och LWIR) atmosfäriska transparensfönster, samtidigt som man bibehåller nästan invarianta synliga egenskaper. Enheten designades och utvecklades av Daniel Franklin och kollegor vid Institutionen för fysik och tillverkades med ett dielektriskt lager mönstrat med regelbundet åtskilda nanostorlekar. Genom design, nanostrukturerna klämdes in mellan en reflekterande metallspegel och ett tunt övre guldskikt med hål motsvarande den mellersta skivan. Funktionellt, spektralresponsen för den flerskiktade kavitetskopplade nanostrukturen berodde på interaktioner mellan plasmoniska resonanser, diffraktion och kavitetsåterkoppling.
Resonansläget för varje regim definierades och undersöktes med hjälp av numeriska simuleringar med begränsad skillnad tidsdomän (FDTD). Parametrarna identifierades och varierades för att skapa en experimentell infraröd (IR) färgpalett. Sådana bilder gjordes synliga med IR-kameror men doldes i den synliga domänen genom konsekvent pixel-till-pixel plasmonisk absorption och diffraktion. Studien använde en multispektral konstruktion för att demonstrera kavitetsinducerad plasmonik för applikationer inom kamouflage- och förfalskningsteknik. Arbetet publiceras nu den Ljus:Vetenskap och tillämpningar .
Bilder från skanningselektronmikroskop uppifrån av håldiametrarna hos de tillverkade plasmoniska systemen, synliga och infraröda spektrometermätningar, och infraröda bilder av a – d) MWIR och e – h) LWIR -enheter. Hela linjer för reflektansspektra är mätvärden, medan prickade linjer erhålls genom FDTD -simuleringar. Linjefärger för de synliga spektra erhålls från CIE -kromatiseringsmatchningsfunktionerna. Kredit:Light - Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Som princip-bevis, Franklin et al. kodade bilder och data på materialytor och observerade dem med hjälp av infraröda och synliga kameror för att demonstrera potentialen hos det kavitetskopplade plasmoniska systemet. I tekniken, forskarna skapade en karta mellan diametrarna för en given pixel och gråskalavärdena på ytan för att se genom infraröd kamerabildning. Bilden kodades först med direkt laserskrivning på en huvudmallpolymer som användes för att tillverka den nanostrukturerade ytan med hjälp av nanoimprint litografi (NIL). Före och efter NIL-processen avbildades de tillverkade treskiktade metalliska hålrummen med hjälp av skanningelektronmikroskopi (SEM) för ytkarakterisering.
Genom att variera laserskrivningsparametrarna (effekt och hastighet) för huvudskrivprocessen, forskarna erhöll en mängd olika håldiametrar för mellanvågsinfraröda (MWIR) och långvågiga infraröda (LWIR) enheter. Beroende på vinkeln på infallande ljus och betraktningsvinkel, när den ses av ögat eller använder en synlig regimkamera, den kodade ytan framträdde som ett enhetligt färgblock. Under tiden visade den infraröda kameran de kodade gråskala bilderna i en upplösning beroende på ytplasmonik.
Forskarna genomförde synliga och infraröda spektrometermätningar av de tillverkade plasmoniska systemen. De infraröda resonansytorna avbildades med hjälp av kameror avsedda för deras respektive band. En kyld indiumantimoniddetektor användes för att se MWIR -ytorna och en okyld VO x mikrobolometerkamera användes för att se LWIR -ytan. Dipolär koppling mellan mängden hål/skivor och deras interaktion med optisk kavitet dikterade det infraröda svaret. Diffraktion i Fabry-Perot-kavitetslägen dominerade den synliga regimen. Gråskala bilder och data kodades in i ytorna genom att kartlägga diametern på hålen i det plasmoniska systemet till respektive pixlar.
a) Schematisk av den kavitetskopplade plasmoniska anordningen består av en bakspegel, en präglad uppsättning hål i en polymer, och en andra avdunstning av guld för att skapa skivor och en perforerad film. b) En falskfärgad skanningselektronmikroskopbild av det plasmoniska systemet och en schematisk bild med de olika strukturparametrarna. c) En kodad yta där pixeldata mappas till strukturella särdrag hos det plasmoniska systemet. Spektralaxeln visar hur data kan manifestera sig i det önskade våglängdsområdet, som visas i det kortvågiga infraröda fönstret, medan ytan förblir enhetlig i andra fönster. Kredit:Light - Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
När det kavitetskopplade plasmoniska systemet upphetsades vid resonans, sammanhängande interaktioner mellan fotoner och den fria elektrontätheten i metallen producerade kollektivt laddade oscillationer som kallas ytplasmoner. Högdensitetsladdningslokalisering och mikroströmmar berodde på interaktionerna på kanterna på metallelementen, vars energi försvann genom ohmisk förlust.
Genom att variera systemets parametrar, forskarna kodade bilder på ytan inom ett önskat spektralintervall, medan dessa bilder inte syntes synliga inom andra. Till exempel, en bild som är kodad i mittvågsinfraröd (MWIR) fönster, framträdde som en gråskärmsbild när den ses via en MWIR -kamera, även om utseendet inom det synliga intervallet och den långvågiga infraröda (LWIR) regimen förblev en konstant färg.
Två system undersöks för drift i mellanvågens infraröda (MWIR) och långvågiga infraröda (LWIR) transparensfönster. a) Schematisk bild av den plasmoniska anordningen som är utformad för MWIR och b) motsvarande tidsbegränsade tidsdomän (FDTD) simuleringar av reflektans som en funktion av hålets diameter. c) En schematisk bild av LWIR -enheten och d) motsvarande FDTD -svepning av håldiametrar. Punkterade svarta linjer visar det önskade infraröda operationsområdet. Håldiameter kan användas för att svepa genom dessa fönster och samtidigt hålla synlig absorption konstant. Fältprofiler presenteras med märkta våglängder och håldiametrar för att illustrera mekanismerna bakom resonanserna i olika spektralregimer. Kredit:Light - Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Forskarna karakteriserade optiska egenskaper hos det kavitetskopplade plasmoniska systemet i studien och kategoriserade dem efter geometriska egenskaper i förhållande till våglängden för infallande ljus (λ inkl ). För att demonstrera denna effekt, två enheter definierades och simulerades i första hand i studien som leddes av forskargruppen för att fungera i MWIR- och LWIR -atmosfärens transparensfönster. Multispektrala reflektansspektra för respektive ytor beräknades som en funktion av hålets diameter med användning av FDTD -metoden.
När det infallande ljuset var betydligt större än mönstret, systemet betedde sig som ett metallplan eller spegel. När infallsljuset minskade, extraordinär ljusöverföring inträffade genom subvåglängdshålskivans matris, på grund av inducerad plasmonresonans, koppla den elektromagnetiska vågen in i hålrummet. När det infallande ljuset blev jämförbart med matrisens strukturella dimension, systemet stödde plasmoniska och interferensresonanser av högre ordning på grund av den inledande kavitetsinterna diffraktionen. Med hjälp av parameterstudien, Franklin et al. identifierade två möjliga vägar för att uppnå infraröd kodning; (i) hålens diameter och (ii) avlastningsdjupet - med bibehållen enhetlig synlig absorption.
Spektral- och ordningens genomsnittliga diffraktionseffektivitet för den första och andra ordern vid normal incidens för a) MWIR -enheten och b) LWIR -enheten. Effektiviteten är i genomsnitt över det synliga spektralområdet 400–800 nm. Svarta prickade linjer indikerar diametern med en maximal avvikelse på 1%. Insets visar respektive enheter och degenerationen av den första diffrakterade ordningen baserat på symmetrin hos hålmatrisen. Kredit:Light - Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Forskarna kvantifierade diffraktionseffektiviteten i studien för MWIR- och LWIR -enheterna som en funktion av hålets diameter med hjälp av FDTD. Resultaten indikerade att enheter kunde ställas in för olika våglängder; främst genom de infraröda transparensfönstren genom att ändra hål-/diskdiametern och bibehålla pixel-till-pixel-ljusstyrkan i den synliga domänen. Den kodade informationen var inte 'osynlig' för olika våglängder, däremot överskred dimensionerna för det plasmoniska hålskivsystemet diffraktionsgränsen för det synliga ljuset. Individuella funktioner var synliga med hög förstoringsmål. Studien kombinerade enkel tillverkning och kompatibilitet på flexibla underlag för att konstruera enhetsarkitekturen. Resultaten kommer att leda till nya plasmoniska ytor med multispektrala funktioner för att koda information.
© 2018 Science X Network
