Données et images codées par infrarouge. a) Image de la fille afghane (Copyright Steve McCurry/Magnum Photos. Droits d'image accordés par Magnum Photos New York) qui est codée dans la surface plasmonique en cartographiant le diamètre du trou en niveaux de gris infrarouges. b) Caméra visible (EOS Rebel T6i, Canon) et c) image infrarouge de la surface MWIR encodée prise avec un détecteur d'antimoniure d'indium refroidi (A8300sc, FLIR). Le dispositif d'encodage MWIR Afghan Girl mesure 1 × 0,75 mm2. La même procédure est menée pour le domaine LWIR et les images à encoder sont d) celle d'Einstein et un QR code du site de l'auteur (http:/nanoscience.ucf.edu/chanda). e) Une caméra visible (EOS Rebel T6i, Canon) et f) images infrarouges LWIR prises avec une caméra microbolomètre VOx non refroidie (HD-1024, Systèmes optiques de St. Johns). La zone d'échantillon codée par Einstein est de 1,25 × 1 mm2, et le code QR est 1 × 1 mm2. Crédit :Lumière – Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Les matériaux plasmoniques peuvent contrôler de manière unique le spectre électromagnétique en raison de l'architecture de surface à l'échelle nanométrique. Les progrès récents de la nanotechnologie et de la science des matériaux et leur capacité combinée à développer des géométries contrôlées à l'échelle nanométrique continuent d'évoluer, comme observé avec les propriétés optiques d'amplitude, fronts de phase et d'onde pour les matériaux en optique. Bien que les chercheurs se soient concentrés sur les fréquences et les longueurs d'onde individuelles, peu d'études ont tenté de contrôler les propriétés fondamentales à travers plusieurs régimes de fréquences électromagnétiques. Par exemple, les systèmes multispectraux peuvent établir de nouvelles surfaces avec des fonctions combinées, tels que les multicouches réfléchissantes qui absorbent et émettent sélectivement la lumière infrarouge dans des fenêtres atmosphériques transparentes pour la gestion thermique. De la même manière, des filtres plasmoniques à résonance accordable peuvent être utilisés pour l'imagerie couleur multispectrale. Ces concepts peuvent être appliqués pour réaliser des techniques de camouflage et de lutte contre la contrefaçon.
Les résonances dans de tels systèmes se produisent sous forme de modes multipolaires électriques et magnétiques excités qui dépendent des géométries et des dimensions des matériaux constitutifs en raison des caractéristiques inhérentes à l'hybridation plasmon et au couplage plasmon-phonon. De tels traits peuvent être utilisés efficacement pour concevoir les propriétés optiques de surface d'un matériau. Cependant, les tentatives pour contrôler les paramètres structurels et s'adapter à un régime spectral spécifique peuvent influencer les résonances d'ordre supérieur dans les gammes de longueurs d'onde inférieures, résultant en un manque de contrôle indépendant du caractère optique dans des régions spectrales spécifiques.
Dans une étude récente, un nouveau dispositif a utilisé la plasmonique pour contrôler une variété de longueurs d'onde de la lumière à l'aide d'un système nanostructuré multicouche couplé à une cavité. Le système plasmonique a maintenu une absorption réglable en continu tout au long des fenêtres de transparence atmosphérique des ondes moyennes (3-5 µm) et des ondes longues (8-12 µm) (MWIR et LWIR), tout en conservant des propriétés visibles quasi-invariantes. L'appareil a été conçu et développé par Daniel Franklin et ses collègues du département de physique et fabriqué avec une couche diélectrique à motifs de trous de taille nanométrique régulièrement espacés. Intentionnellement, les nanostructures ont été prises en sandwich entre un miroir métallique réfléchissant et une fine couche supérieure d'or avec des trous correspondant au disque central. Fonctionnellement, la réponse spectrale de la nanostructure multicouche couplée à la cavité dépendait des interactions entre les résonances plasmoniques, diffraction et rétroaction de cavité.
Le mode de résonance de chaque régime a été défini et exploré à l'aide de simulations numériques dans le domaine temporel aux différences finies (FDTD). Les paramètres ont été identifiés et modifiés pour créer une palette expérimentale de couleurs infrarouges (IR). De telles images ont été rendues visibles avec des caméras IR mais ont été cachées dans le domaine visible par une absorption et une diffraction plasmoniques cohérentes de pixel à pixel. L'étude a utilisé une configuration d'ingénierie multispectrale pour démontrer la plasmonique induite par la cavité pour des applications dans les technologies de camouflage et de lutte contre la contrefaçon. L'ouvrage est désormais publié sur Lumière :science et applications .
Images au microscope électronique à balayage en vue de dessus des diamètres des trous des systèmes plasmoniques fabriqués, mesures par spectromètre visible et infrarouge, et des images infrarouges des dispositifs a–d) MWIR et e–h) LWIR. Les lignes pleines pour les spectres de réflectance sont des valeurs mesurées, tandis que les lignes pointillées sont obtenues par des simulations FDTD. Les couleurs des raies pour les spectres visibles sont obtenues à partir des fonctions d'appariement de chromaticité CIE. Crédit :Lumière – Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Comme preuve de principe, Franklin et al. ont codé des images et des données sur des surfaces matérielles et les ont observées à l'aide de caméras infrarouges et visibles pour démontrer le potentiel du système plasmonique couplé à une cavité. Dans la technique, les scientifiques ont créé une carte entre les diamètres d'un pixel donné et les valeurs en niveaux de gris de la surface à visualiser grâce à l'imagerie par caméra infrarouge. L'image a d'abord été codée à l'aide d'une écriture laser directe sur un polymère modèle maître qui a été utilisé pour fabriquer la surface nanostructurée à l'aide de la lithographie par nanoimpression (NIL). Avant et après le processus NIL, les cavités métalliques à trois couches produites ont été imagées par microscopie électronique à balayage (MEB) pour la caractérisation de la surface.
En faisant varier les paramètres d'écriture laser (puissance et vitesse) du processus d'écriture du master, les scientifiques ont obtenu divers diamètres de trous pour les dispositifs infrarouges à ondes moyennes (MWIR) et infrarouges à ondes longues (LWIR). Selon l'angle de la lumière incidente et l'angle de vision, vue à l'œil nu ou à l'aide d'une caméra à régime visible, la surface codée apparaissait comme un bloc de couleur uniforme. Pendant ce temps, la caméra infrarouge a montré les images en niveaux de gris codées à une résolution dépendant de la plasmonique de surface.
Les scientifiques ont effectué des mesures au spectromètre visible et infrarouge des systèmes plasmoniques fabriqués. Les surfaces de résonance infrarouge ont été imagées à l'aide de caméras conçues pour leurs bandes de fonctionnement respectives. Un détecteur d'antimoniure d'indium refroidi a été utilisé pour visualiser les surfaces MWIR et un VO non refroidi
a) Le schéma du dispositif plasmonique à cavité couplée est constitué d'un rétroviseur, un réseau imprimé de trous dans un polymère, et une seconde évaporation d'or pour créer des disques et un film perforé. b) Une image au microscope électronique à balayage en fausses couleurs du système plasmonique et un schéma avec les différents paramètres structuraux. c) Une surface codée où les données de pixels sont mappées aux caractéristiques structurelles du système plasmonique. L'axe spectral montre comment les données peuvent se manifester dans la plage de longueurs d'onde souhaitée, comme indiqué dans la fenêtre infrarouge à ondes courtes, alors que la surface reste uniforme dans les autres fenêtres. Crédit :Lumière – Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Lorsque le système plasmonique couplé à la cavité a été excité à la résonance, les interactions cohérentes entre les photons et la densité d'électrons libres dans le métal ont produit des oscillations chargées collectivement appelées plasmons de surface. La localisation des charges à haute densité et les microcourants résultent des interactions sur les bords des éléments métalliques, dont l'énergie est dissipée par perte ohmique.
En faisant varier les paramètres du système, les scientifiques ont codé des images à la surface dans une plage spectrale souhaitée, alors que ces images ne semblaient pas visibles dans les autres. Par exemple, une image codée dans la fenêtre infrarouge à ondes moyennes (MWIR), apparaissait comme une image en niveaux de gris lorsqu'elle était vue à travers une caméra MWIR, bien que l'apparence dans la gamme visible et le régime infrarouge à ondes longues (LWIR) soit restée une couleur constante.
Deux systèmes sont explorés pour un fonctionnement dans les fenêtres de transparence de l'infrarouge moyen (MWIR) et de l'infrarouge long (LWIR). a) Schéma du dispositif plasmonique conçu pour le MWIR et b) simulations correspondantes dans le domaine temporel des différences finies (FDTD) de la réflectance en fonction du diamètre du trou. c) Un schéma du dispositif LWIR et d) le balayage FDTD équivalent des diamètres de trous. Les lignes noires en pointillés représentent la plage de fonctionnement infrarouge souhaitée. Le diamètre du trou peut être utilisé pour balayer ces fenêtres tout en gardant l'absorption visible invariante. Les profils de champ sont présentés à des longueurs d'onde et des diamètres de trous marqués pour illustrer les mécanismes derrière les résonances dans différents régimes spectraux. Crédit :Lumière – Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Les scientifiques ont caractérisé les traits optiques du système plasmonique couplé à la cavité dans l'étude et les ont classés par caractéristiques géométriques par rapport à la longueur d'onde de la lumière incidente (λ
Lorsque la lumière incidente était considérablement plus grande que le motif, le système s'est comporté comme un plan ou un miroir métallique. Au fur et à mesure que la lumière incidente diminuait, une transmission de lumière extraordinaire s'est produite à travers le réseau de disques de trous de longueur d'onde inférieure, en raison de la résonance plasmonique induite, couplage de l'onde électromagnétique dans la cavité. Lorsque la lumière incidente est devenue comparable à la dimension structurelle du réseau, le système supportait des résonances plasmoniques et interférentielles d'ordre supérieur en raison de l'apparition de la diffraction interne de la cavité. A l'aide de l'étude paramétrique, Franklin et al. identifié deux voies possibles pour réaliser l'encodage infrarouge ; (i) le diamètre des trous et (ii) la profondeur du relief, tout en maintenant une absorption visible uniforme.
L'efficacité de diffraction spectrale et moyenne des ordres du premier et du deuxième ordre à incidence normale pour a) le dispositif MWIR et b) le dispositif LWIR. L'efficacité est moyennée sur la plage spectrale visible de 400 à 800 nm. Les lignes pointillées noires indiquent la gamme de diamètres avec un écart maximum de 1%. Les médaillons représentent les dispositifs respectifs et la dégénérescence du premier ordre diffracté en fonction de la symétrie du réseau de trous. Crédit :Lumière – Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0095-9.
Les scientifiques ont quantifié l'efficacité de la diffraction dans l'étude des dispositifs MWIR et LWIR en fonction du diamètre du trou à l'aide du FDTD. Les résultats ont indiqué que les appareils pouvaient être réglés pour différentes longueurs d'onde; principalement à travers les fenêtres de transparence infrarouge en modifiant le diamètre du trou/du disque et en maintenant la luminosité pixel à pixel dans le domaine visible. Les informations codées n'étaient pas « invisibles » pour différentes longueurs d'onde, en revanche, les dimensions du système trou-disque plasmonique dépassaient la limite de diffraction de la lumière visible. Les caractéristiques individuelles étaient visibles avec des objectifs à fort grossissement. L'étude a combiné la facilité de fabrication et la compatibilité sur des substrats flexibles pour concevoir l'architecture du dispositif. Les résultats conduiront à de nouvelles surfaces plasmoniques avec des fonctions multispectrales pour coder l'information.
© 2018 Réseau Science X