Плазмонные материалы могут уникальным образом контролировать электромагнитный спектр благодаря наноразмерной архитектуре поверхности. Последние достижения в области нанотехнологий и материаловедения и их совместная способность разрабатывать управляемые геометрии на наноуровне продолжают развиваться, что наблюдается при использовании оптических свойств амплитудных, фазовых и волновых фронтов для материалов в оптике. Хотя исследователи сосредоточились на отдельных частотах и ​​длинах волн, лишь немногие исследования пытались контролировать фундаментальные свойства в различных режимах электромагнитных частот. Например, мультиспектральные системы могут создавать новые поверхности с комбинированными функциями, например отражающие многослойные, которые избирательно поглощают и излучают инфракрасный свет в прозрачных атмосферных окнах для управления температурой. Так же, Плазмонные фильтры с перестраиваемым резонансом могут использоваться для многоспектральной цветовой визуализации. Эти концепции могут применяться для достижения методов маскировки и борьбы с подделками.

Резонансы в таких системах возникают в виде возбужденных электрических и магнитных мультипольных мод, которые зависят от геометрии и размеров составляющих материалов из-за неотъемлемых особенностей плазмонной гибридизации и плазмон-фононного взаимодействия. Такие признаки могут быть эффективно использованы для разработки оптических свойств поверхности материала. Однако попытки управления структурными параметрами и приспособления к определенному спектральному режиму могут влиять на резонансы более высокого порядка в диапазонах более низких длин волн, что приводит к отсутствию независимого управления оптическим характером в определенных областях спектра.

В недавнем исследовании новое устройство использовало плазмонику для управления различными длинами волн света, используя многослойную наноструктурированную систему с резонатором. Плазмонная система поддерживала непрерывно настраиваемое поглощение в окнах атмосферной прозрачности для средневолновой (3-5 мкм) и длинноволновой (8-12 мкм) инфракрасной (MWIR и LWIR) при сохранении почти инвариантных видимых свойств. Устройство было разработано и разработано Дэниелом Франклином и его коллегами по физическому факультету и изготовлено из диэлектрического слоя с узором из равномерно расположенных наноразмерных отверстий. По своей конструкции наноструктуры были зажаты между отражающим металлическим зеркалом и тонким верхним слоем золота с отверстиями, соответствующими среднему диску. Функционально

Резонансный режим каждого режима был определен и исследован с использованием численного моделирования с конечной разностью во временной области (FDTD). Параметры были определены и изменены для создания экспериментальной инфракрасной (ИК) цветовой палитры. Такие изображения были сделаны видимыми с помощью ИК-камер, но они были скрыты в видимой области благодаря постоянному межпиксельному плазмонному поглощению и дифракции. В исследовании использовалась многоспектральная инженерная установка для демонстрации плазмоники, индуцированной резонатором, для применения в камуфляжных и антиконтрафактных технологиях. Работа теперь опубликована на свет: наука и приложения.

Инфракрасное кодирование данных и изображений. a) Изображение афганской девушки (Copyright Steve McCurry / Magnum Photos. Права на изображения предоставлены Magnum Photos New York), которое кодируется в плазмонную поверхность путем сопоставления диаметра отверстия с инфракрасной шкалой серого. b) видимая камера (EOS Rebel T6i, Canon) и c) инфракрасное изображение кодированной поверхности MWIR, полученное с помощью охлаждаемого детектора антимонида индия (A8300sc, FLIR). Устройство кодирования MWIR Афганская девушка имеет размер 1 × 0,75 мм2. Та же процедура проводится для домена LWIR, и изображения, которые должны быть закодированы, являются d), такими как Einstein, и QR-кодом с веб-сайта автора (http: /nanoscience.ucf.edu/chanda). e) видимая камера (EOS Rebel T6i, Canon) и f) инфракрасные изображения LWIR, сделанные неохлаждаемой микроболометрической камерой VOx (HD-1024, St. Johns Optical Systems). Площадь образца в коде Эйнштейна составляет 1,25 × 1 мм2, и QR-код составляет 1 × 1 мм2. Фото: Light — Science & Applications, doi: 10.1038 / s41377-018-0095-9.

Сканирующий вид сверху с помощью электронного микроскопа изображения диаметров отверстий изготовленных плазмонных систем

Сканирующий вид сверху с помощью электронного микроскопа изображения диаметров отверстий изготовленных плазмонных систем, измерения в видимом и инфракрасном спектрометрах и инфракрасные изображения устройств a-d) MWIR и e-h) LWIR. Сплошные линии для спектров отражения являются измеренными значениями, а пунктирные линии получены с помощью FDTD-моделирования. Цвета линий для видимых спектров получаются из функций соответствия цветности CIE. Фото: Light — Science & Applications, doi: 10.1038 / s41377-018-0095-9.

В качестве доказательства принципа Франклин и соавт. закодировал изображения и данные на поверхности материала и наблюдал их с помощью инфракрасных и видимых камер, чтобы продемонстрировать потенциал плазмонной системы с резонансной связью. В этой методике ученые создали карту между диаметрами данного пикселя и значениями серой поверхности для просмотра через инфракрасную камеру. Изображение было сначала закодировано с использованием прямой лазерной записи на основной матричный полимер, который был использован для изготовления наноструктурированной поверхности с использованием наноимпринтной литографии (NIL). До и после процесса NIL полученные трехслойные металлические полости получали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для определения характеристик поверхности.

Изменяя параметры лазерной записи (мощность и скорость) основного процесса записи, ученые получили различные диаметры отверстий для средневолновых инфракрасных (MWIR) и длинноволновых инфракрасных (LWIR) устройств. В зависимости от угла падающего света и угла обзора, при просмотре глазом или с использованием камеры в видимом режиме кодированная поверхность отображается в виде однородного цветового блока. Между тем инфракрасная камера показала закодированные изображения в градациях серого с разрешением, зависящим от поверхностной плазмоники.

Ученые провели видимые и инфракрасные спектрометрические измерения изготовленных плазмонных систем. Инфракрасные резонансные поверхности были получены с использованием камер, разработанных для их соответствующих диапазонов работы. Охлаждающий детектор антимонида индия использовали для просмотра поверхностей MWIR, а неохлаждаемую камеру микроболометра VOx — для просмотра поверхности LWIR. Диполярная связь между массивом отверстий / дисков и их взаимодействие с оптическим резонатором обусловили инфракрасный отклик. Дифракция в модах резонатора Фабри-Перо доминировала в видимом режиме. Изображения и данные в градациях серого были закодированы в поверхности путем сопоставления диаметра отверстий плазмонной системы с соответствующими пикселями.

Схема плазмонного устройства с полостью-сопряжением

а) Схема плазмонного устройства с полостью-сопряжением состоит из обратного зеркала, множества отпечатанных отверстий в полимере и второго испарения золота для создания дисков и перфорированной пленки. б) Изображение сканирующего электронного микроскопа с ложными цветами на плазмонной системе и схема с различными структурными параметрами. c) закодированная поверхность, где данные пикселей отображаются на структурные особенности плазмонной системы. Спектральная ось показывает, как данные могут проявляться в желаемом диапазоне длин волн, как показано в коротковолновом инфракрасном окне, тогда как в других окнах поверхность остается однородной. Фото: Light — Science & Applications, doi: 10.1038 / s41377-018-0095-9.

Когда резонансно-связанная плазмонная система возбуждалась в резонансе, когерентные взаимодействия между фотонами и плотностью свободных электронов в металле вызывали коллективно заряженные колебания, известные как поверхностные плазмоны. Локализация заряда высокой плотности и микротоки возникали в результате взаимодействия на краях металлических элементов, энергия которых рассеивалась за счет омических потерь.

Изменяя параметры системы, ученые кодировали изображения на поверхности в желаемом спектральном диапазоне, в то время как эти изображения не были видны в других. Например, изображение, закодированное в окне средневолнового инфракрасного излучения (MWIR), отображается как изображение в градациях серого при просмотре через камеру MWIR, хотя внешний вид в видимом диапазоне и в режиме длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR) оставался постоянным цветом.

две системы для работы в окнах с прозрачностью в средней инфракрасной области (MWIR) и в длинноволновой части инфракрасной области (LWIR)

Рассматриваются две системы для работы в окнах с прозрачностью в средней инфракрасной области (MWIR) и в длинноволновой части инфракрасной области (LWIR). а) Схема плазмонного устройства, предназначенного для MWIR, и б) соответствующая имитация отражения в конечной разности во временной области (FDTD) как функция диаметра отверстия. c) схема устройства LWIR и d) эквивалентная развертка FDTD диаметров отверстий. Пунктирные черные линии показывают желаемый диапазон действия инфракрасного излучения. Диаметр отверстия можно использовать для прохода через эти окна, сохраняя при этом видимое поглощение неизменным. Профили поля представлены для обозначенных длин волн и диаметров дырок, чтобы проиллюстрировать механизмы, лежащие в основе резонансов в различных спектральных режимах. Фото: Light — Science & Applications, doi: 10.1038 / s41377-018-0095-9.

Ученые охарактеризовали оптические характеристики резонаторно-связанной плазмонной системы в исследовании и классифицировали их по геометрическим особенностям относительно длины волны падающего света (λinc). Чтобы продемонстрировать этот эффект, два исследования были в основном определены и смоделированы в исследовании, проведенном исследовательской группой для работы в окнах прозрачности атмосферы MWIR и LWIR. Мультиспектральные спектры отражения соответствующих поверхностей были рассчитаны как функция диаметра отверстия с использованием метода FDTD.

Когда падающий свет был значительно больше, чем рисунок, система вела себя как металлическая плоскость или зеркало. Когда падающий свет уменьшился, необыкновенная светопропускание произошло через субволновую решетку дырок-дисков из-за индуцированного плазмонного резонанса, связывающего электромагнитную волну с резонатором. Поскольку падающий свет стал сравнимым со структурными размерами матрицы, система поддерживала плазмонный и интерференционный резонансы более высокого порядка из-за начала внутренней дифракции резонатора. Используя исследование параметров, Franklin et al. определены два возможных пути для достижения инфракрасного кодирования; (i) диаметр отверстий и (ii) глубина рельефа при сохранении равномерного видимого поглощения.

Усредненная по спектру и порядку дифракционная эффективность первого и второго порядков при нормальном падении

Усредненная по спектру и порядку дифракционная эффективность первого и второго порядков при нормальном падении для a) устройства MWIR и b) устройства LWIR. Эффективность усредняется в видимом спектральном диапазоне 400–800 нм. Черные пунктирные линии указывают диапазон диаметров с максимальным отклонением 1%. На вставках изображены соответствующие устройства и вырождение первого дифракционного порядка на основе симметрии матрицы отверстий. Фото: Light — Science & Applications, doi: 10.1038 / s41377-018-0095-9.

Ученые количественно оценили эффективность дифракции в исследовании для устройств MWIR и LWIR как функцию диаметра отверстия, используя FDTD. Результаты показали, что устройства могут быть настроены на разные длины волн; прежде всего через окна прозрачности инфракрасного излучения, изменяя диаметр отверстия / диска и поддерживая яркость между пикселями в видимой области. Закодированная информация не была «невидимой» для разных длин волн, в отличие от этого размеры плазмонной системы дырка-диск превышали дифракционный предел видимого света. Индивидуальные особенности были видны с высоким увеличением целей. Исследование объединило простоту изготовления и совместимость на гибких подложках для разработки архитектуры устройства. Результаты приведут к новым плазмонным поверхностям с мультиспектральными функциями для кодирования информации.

По материалам phys.org