Dati e immagini codificati a infrarossi. a) Immagine della ragazza afghana (Copyright Steve McCurry/Magnum Photos. Diritti di immagine concessi da Magnum Photos New York) che è codificata nella superficie plasmonica mappando il diametro del foro sulla scala di grigi a infrarossi. b) Fotocamera visibile (EOS Rebel T6i, Canon) e c) immagine a infrarossi della superficie MWIR codificata presa con un rivelatore di antimoniuro di indio raffreddato (A8300sc, FLIR). Il dispositivo di codifica MWIR Afghan Girl ha una dimensione di 1 × 0.75 mm2. La stessa procedura viene condotta per il dominio LWIR e le immagini da codificare sono d) quella di Einstein e un codice QR dal sito dell'autore (http:/nanoscience.ucf.edu/chanda). e) Una fotocamera visibile (EOS Rebel T6i, Canon) e f) immagini a infrarossi LWIR scattate con una telecamera microbolometrica VOx non raffreddata (HD-1024, Sistemi ottici di St. Johns). L'area del campione codificata da Einstein è 1,25 × 1 mm2, e il codice QR è 1 × 1 mm2. Credito:Luce - Scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
I materiali plasmonici possono controllare in modo univoco lo spettro elettromagnetico grazie all'architettura superficiale su nanoscala. I recenti progressi nella nanotecnologia e nella scienza dei materiali e la loro capacità combinata di sviluppare geometrie controllate su nanoscala continuano ad evolversi, come osservato con proprietà ottiche di ampiezza, fronti di fase e d'onda per materiali in ottica. Sebbene i ricercatori si siano concentrati su frequenze e lunghezze d'onda individuali, pochi studi hanno tentato di controllare le proprietà fondamentali su più regimi di frequenza elettromagnetica. Ad esempio, i sistemi multispettrali possono stabilire nuove superfici con funzioni combinate, come i multistrati riflettenti che assorbono ed emettono selettivamente luce infrarossa in finestre atmosferiche trasparenti per la gestione termica. Allo stesso modo, i filtri plasmonici con risonanza sintonizzabile possono essere utilizzati per l'imaging multispettrale a colori. Questi concetti possono essere applicati per ottenere tecniche di mimetizzazione e anticontraffazione.
Le risonanze in tali sistemi si verificano come modi multipolari elettrici e magnetici eccitati che dipendono dalle geometrie e dalle dimensioni dei materiali costituenti a causa delle caratteristiche intrinseche dell'ibridazione plasmonica e dell'accoppiamento plasmone-fonone. Tali caratteristiche possono essere efficacemente utilizzate per progettare le proprietà ottiche della superficie di un materiale. Però, i tentativi di controllare i parametri strutturali e adattarsi a un regime spettrale specifico possono influenzare le risonanze di ordine superiore nelle gamme di lunghezze d'onda inferiori, con conseguente mancanza di controllo indipendente del carattere ottico in specifiche regioni spettrali.
In un recente studio, un nuovo dispositivo ha impiegato la plasmonica per controllare una varietà di lunghezze d'onda della luce utilizzando un sistema nanostrutturato accoppiato a cavità multistrato. Il sistema plasmonico ha mantenuto un assorbimento continuamente sintonizzabile attraverso le finestre di trasparenza atmosferica a onde medie (3-5 µm) e a onde lunghe (8-12 µm) infrarosse (MWIR e LWIR), mantenendo proprietà visibili quasi invarianti. Il dispositivo è stato progettato e sviluppato da Daniel Franklin e dai colleghi del Dipartimento di Fisica e fabbricato con uno strato dielettrico modellato con fori nanometrici regolarmente distanziati. In base alla progettazione, le nanostrutture sono state inserite tra uno specchio metallico riflettente e un sottile strato superiore d'oro con fori corrispondenti al disco centrale. Funzionalmente, la risposta spettrale della nanostruttura accoppiata a cavità multistrato dipendeva dalle interazioni tra le risonanze plasmoniche, diffrazione e feedback di cavità.
La modalità di risonanza di ciascun regime è stata definita ed esplorata utilizzando simulazioni numeriche nel dominio del tempo alle differenze finite (FDTD). I parametri sono stati identificati e variati per creare una tavolozza di colori sperimentale a infrarossi (IR). Tali immagini sono state rese visibili con le telecamere IR, ma sono state nascoste nel dominio visibile da un consistente assorbimento e diffrazione plasmonica pixel-to-pixel. Lo studio ha utilizzato una configurazione ingegneristica multispettrale per dimostrare la plasmonica indotta da cavità per applicazioni nelle tecnologie di mimetizzazione e anticontraffazione. L'opera è ora pubblicata su Luce:scienza e applicazioni .
Immagini al microscopio elettronico a scansione dall'alto dei diametri dei fori dei sistemi plasmonici fabbricati, misure spettrometriche nel visibile e nell'infrarosso, e immagini all'infrarosso dei dispositivi a–d) MWIR ed e–h) LWIR. Le linee continue per gli spettri di riflettanza sono valori misurati, mentre le linee tratteggiate sono ottenute da simulazioni FDTD. I colori delle linee per gli spettri visibili sono ottenuti dalle funzioni di corrispondenza cromatica CIE. Credito:Luce - Scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Come prova di principio, Franklin et al. ha codificato immagini e dati su superfici materiali e li ha osservati utilizzando telecamere a infrarossi e visibili per dimostrare il potenziale del sistema plasmonico accoppiato a cavità. Nella tecnica, gli scienziati hanno creato una mappa tra i diametri di un dato pixel e i valori in scala di grigi della superficie da visualizzare attraverso l'imaging della telecamera a infrarossi. L'immagine è stata prima codificata utilizzando la scrittura laser diretta su un polimero modello master che è stato utilizzato per fabbricare la superficie nanostrutturata utilizzando la litografia nanoimprint (NIL). Prima e dopo il processo NIL, le cavità metalliche a tre strati prodotte sono state riprese utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) per la caratterizzazione della superficie.
Variando i parametri di scrittura laser (potenza e velocità) del processo di scrittura master, gli scienziati hanno ottenuto una varietà di diametri dei fori per i dispositivi a infrarossi a onde medie (MWIR) e a infrarossi a onde lunghe (LWIR). A seconda dell'angolo della luce incidente e dell'angolo di visione, se visti dall'occhio o usando una telecamera a regime visibile, la superficie codificata appariva come un blocco di colore uniforme. Nel frattempo la telecamera a infrarossi ha mostrato le immagini codificate in scala di grigi con una risoluzione che dipende dalla plasmonica di superficie.
Gli scienziati hanno condotto misurazioni spettrometriche nel visibile e nell'infrarosso dei sistemi plasmonici fabbricati. Le superfici risonanti a infrarossi sono state riprese utilizzando telecamere progettate per le rispettive bande di funzionamento. Un rilevatore di antimoniuro di indio raffreddato è stato utilizzato per visualizzare le superfici MWIR e un VO . non raffreddato X fotocamera microbolometrica è stata utilizzata per visualizzare la superficie LWIR. L'accoppiamento dipolare tra la serie di fori/dischi e la loro interazione con la cavità ottica ha dettato la risposta all'infrarosso. La diffrazione in modi di cavità di Fabry-Perot dominava il regime visibile. Le immagini ei dati in scala di grigi sono stati codificati nelle superfici mappando il diametro dei fori del sistema plasmonico sui rispettivi pixel.
a) Lo schema del dispositivo plasmonico accoppiato a cavità è costituito da uno specchietto retrovisore, una serie di fori stampati in un polimero, e una seconda evaporazione dell'oro per creare dischi e una pellicola perforata. b) Un'immagine al microscopio elettronico a scansione in falsi colori del sistema plasmonico e uno schema con i vari parametri strutturali. c) Una superficie codificata in cui i dati dei pixel sono mappati sulle caratteristiche strutturali del sistema plasmonico. L'asse spettrale mostra come i dati possono manifestarsi nell'intervallo di lunghezze d'onda desiderato, come mostrato nella finestra a infrarossi a onde corte, mentre la superficie rimane uniforme in altre finestre. Credito:Luce - Scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Quando il sistema plasmonico accoppiato alla cavità è stato eccitato alla risonanza, interazioni coerenti tra i fotoni e la densità di elettroni liberi all'interno del metallo hanno prodotto oscillazioni caricate collettivamente note come plasmoni di superficie. Localizzazione di cariche ad alta densità e microcorrenti risultanti dalle interazioni sui bordi degli elementi metallici, la cui energia dissipata dalla perdita ohmica.
Variando i parametri del sistema, gli scienziati hanno codificato le immagini sulla superficie all'interno di un intervallo spettrale desiderato, mentre queste immagini non apparivano visibili all'interno di altre. Per esempio, un'immagine codificata all'interno della finestra a infrarossi a onde medie (MWIR), appariva come un'immagine in scala di grigi se vista attraverso una telecamera MWIR, anche se l'aspetto all'interno della gamma visibile e del regime dell'infrarosso a onde lunghe (LWIR) è rimasto un colore costante.
Vengono esplorati due sistemi per il funzionamento nelle finestre di trasparenza dell'infrarosso a onde medie (MWIR) e dell'infrarosso a onde lunghe (LWIR). a) Schema del dispositivo plasmonico progettato per il MWIR e b) corrispondenti simulazioni di riflettanza nel dominio del tempo alle differenze finite (FDTD) in funzione del diametro del foro. c) Uno schema del dispositivo LWIR e d) la scansione FDTD equivalente dei diametri dei fori. Le linee nere tratteggiate rappresentano l'intervallo di funzionamento desiderato dell'infrarosso. Il diametro del foro può essere utilizzato per passare attraverso queste finestre mantenendo invariato l'assorbimento visibile. I profili di campo sono presentati a lunghezze d'onda etichettate e diametri dei fori per illustrare i meccanismi alla base delle risonanze in diversi regimi spettrali. Credito:Luce - Scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Gli scienziati hanno caratterizzato i tratti ottici del sistema plasmonico accoppiato a cavità nello studio e li hanno classificati in base a caratteristiche geometriche relative alla lunghezza d'onda della luce incidente (λ inc ). Per dimostrare questo effetto, due dispositivi sono stati principalmente definiti e simulati nello studio condotto dal gruppo di ricerca per operare nelle finestre di trasparenza atmosferica MWIR e LWIR. Gli spettri di riflettanza multispettrale delle rispettive superfici sono stati calcolati in funzione del diametro del foro utilizzando il metodo FDTD.
Quando la luce incidente era considerevolmente più grande del modello, il sistema si comportava come un piano metallico o uno specchio. Quando la luce incidente diminuiva, la straordinaria trasmissione della luce si è verificata attraverso l'array di dischi bucati a lunghezza d'onda inferiore, a causa della risonanza plasmonica indotta, accoppiando l'onda elettromagnetica nella cavità. Quando la luce incidente è diventata paragonabile alla dimensione strutturale dell'array, il sistema supportava risonanze plasmoniche e di interferenza di ordine superiore dovute all'insorgenza della diffrazione interna della cavità. Utilizzando lo studio dei parametri, Franklin et al. identificato due possibili vie per ottenere la codifica a infrarossi; (i) il diametro dei fori e (ii) la profondità del rilievo, pur mantenendo un assorbimento visibile uniforme.
L'efficienza di diffrazione spettrale e media d'ordine del primo e del secondo ordine a incidenza normale per a) il dispositivo MWIR eb) il dispositivo LWIR. L'efficienza è mediata nell'intervallo spettrale visibile di 400-800 nm. Le linee tratteggiate nere indicano la gamma di diametri con una deviazione massima dell'1%. I riquadri rappresentano i rispettivi dispositivi e la degenerazione del primo ordine diffratto in base alla simmetria dell'array di fori. Credito:Luce - Scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Gli scienziati hanno quantificato l'efficienza della diffrazione nello studio per i dispositivi MWIR e LWIR in funzione del diametro del foro utilizzando FDTD. I risultati hanno indicato che i dispositivi potrebbero essere sintonizzati per diverse lunghezze d'onda; principalmente attraverso le finestre di trasparenza a infrarossi modificando il diametro del foro/disco e mantenendo la luminosità da pixel a pixel nel dominio visibile. Le informazioni codificate non erano "invisibili" per diverse lunghezze d'onda, al contrario le dimensioni del sistema buco-disco plasmonico superavano il limite di diffrazione della luce visibile. Le caratteristiche individuali erano visibili con obiettivi ad alto ingrandimento. Lo studio ha combinato facilità di fabbricazione e compatibilità su substrati flessibili per progettare l'architettura del dispositivo. I risultati porteranno a nuove superfici plasmoniche con funzioni multispettrali per codificare le informazioni.
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