Imágenes y datos codificados por infrarrojos. a) Imagen de la niña afgana (Copyright Steve McCurry / Magnum Photos. Derechos de imagen otorgados por Magnum Photos New York) que se codifica en la superficie plasmónica mapeando el diámetro del orificio en escala de grises infrarroja. b) Cámara visible (EOS Rebel T6i, Canon) yc) imagen infrarroja de la superficie MWIR codificada tomada con un detector de antimonuro de indio enfriado (A8300sc, FLIR). El dispositivo de codificación MWIR Afghan Girl tiene un tamaño de 1 × 0,75 mm2. Se realiza el mismo procedimiento para el dominio LWIR y las imágenes a codificar son d) la de Einstein y un código QR del sitio web del autor (http:/nanoscience.ucf.edu/chanda). e) Una cámara visible (EOS Rebel T6i, Canon) yf) Imágenes infrarrojas LWIR tomadas con una cámara microbolómetro VOx no refrigerada (HD-1024, Sistemas ópticos de St. Johns). El área de muestra codificada por Einstein es 1,25 × 1 mm2, y el código QR es 1 × 1 mm2. Crédito:Luz - Ciencia y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0095-9.
Los materiales plasmónicos pueden controlar de forma única el espectro electromagnético debido a la arquitectura de superficie a nanoescala. Los avances recientes en la nanotecnología y la ciencia de los materiales y su capacidad combinada para desarrollar geometrías controladas a nanoescala continúan evolucionando, como se observa con las propiedades ópticas de amplitud, frentes de fase y onda para materiales en óptica. Aunque los investigadores se han centrado en frecuencias y longitudes de onda individuales, pocos estudios han intentado controlar las propiedades fundamentales en múltiples regímenes de frecuencia electromagnética. Por ejemplo, Los sistemas multiespectrales pueden establecer nuevas superficies con funciones combinadas, como multicapas reflectantes que absorben y emiten selectivamente luz infrarroja en ventanas atmosféricas transparentes para la gestión térmica. Similar, Se pueden utilizar filtros plasmónicos con resonancia sintonizable para la obtención de imágenes en color multiespectrales. Estos conceptos se pueden aplicar para lograr técnicas de camuflaje y antifalsificación.
Las resonancias en tales sistemas ocurren como modos multipolares eléctricos y magnéticos excitados que dependen de las geometrías y dimensiones de los materiales constituyentes debido a las características inherentes de la hibridación del plasmón y el acoplamiento plasmón-fonón. Estos rasgos se pueden utilizar de forma eficaz para diseñar las propiedades ópticas de la superficie de un material. Sin embargo, los intentos de controlar los parámetros estructurales y adaptarse a un régimen espectral específico pueden influir en resonancias de orden superior en rangos de longitud de onda más bajos, resultando en una falta de control independiente del carácter óptico en regiones espectrales específicas.
En un estudio reciente, un nuevo dispositivo empleó plasmónicos para controlar una variedad de longitudes de onda de luz utilizando un sistema nanoestructurado acoplado a cavidades multicapa. El sistema plasmónico mantuvo una absorción continuamente sintonizable en las ventanas de transparencia atmosférica de onda media (3-5 µm) y onda larga (8-12 µm) infrarroja (MWIR y LWIR), manteniendo propiedades visibles casi invariantes. El dispositivo fue diseñado y desarrollado por Daniel Franklin y sus colegas en el Departamento de Física y fabricado con una capa dieléctrica modelada con orificios de tamaño nanométrico espaciados regularmente. Por diseño, las nanoestructuras se interpusieron entre un espejo metálico reflectante y una fina capa superior de oro con orificios correspondientes al disco del medio. Funcionalmente la respuesta espectral de la nanoestructura acoplada a cavidades multicapa dependía de las interacciones entre las resonancias plasmónicas, retroalimentación de difracción y cavidad.
El modo de resonancia de cada régimen se definió y exploró utilizando simulaciones numéricas en el dominio del tiempo de diferencia finita (FDTD). Los parámetros se identificaron y variaron para crear una paleta de colores de infrarrojos (IR) experimental. Estas imágenes se hicieron visibles con cámaras de infrarrojos, pero se ocultaron en el dominio visible mediante una absorción y difracción plasmónica consistente de píxel a píxel. El estudio utilizó una configuración de ingeniería multiespectral para demostrar plasmónicos inducidos por cavidades para aplicaciones en tecnologías de camuflaje y antifalsificación. El trabajo ahora está publicado en Luz:ciencia y aplicaciones .
Imágenes de microscopio electrónico de barrido de vista superior de los diámetros de los orificios de los sistemas plasmónicos fabricados, mediciones de espectrómetro visible e infrarrojo, e imágenes infrarrojas de los dispositivos a – d) MWIR y e – h) LWIR. Las líneas continuas para los espectros de reflectancia son valores medidos, mientras que las líneas de puntos se obtienen mediante simulaciones FDTD. Los colores de línea para los espectros visibles se obtienen de las funciones de coincidencia de cromaticidad CIE. Crédito:Luz - Ciencia y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0095-9.
Como prueba de principio, Franklin y col. codificó imágenes y datos en superficies de materiales y los observó utilizando cámaras infrarrojas y visibles para demostrar el potencial del sistema plasmónico acoplado a cavidades. En la técnica, Los científicos crearon un mapa entre los diámetros de un píxel dado y los valores de escala de grises de la superficie para ver a través de imágenes de cámaras infrarrojas. La imagen se codificó primero mediante escritura láser directa en un polímero de plantilla maestra que se utilizó para fabricar la superficie nanoestructurada mediante litografía por nanoimpresión (NIL). Antes y después del proceso NIL, se tomaron imágenes de las cavidades metálicas de tres capas producidas utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) para la caracterización de la superficie.
Variando los parámetros de escritura láser (potencia y velocidad) del proceso de escritura maestro, Los científicos obtuvieron una variedad de diámetros de orificios para los dispositivos infrarrojos de onda media (MWIR) e infrarrojos de onda larga (LWIR). Dependiendo del ángulo de la luz incidente y del ángulo de visión, cuando se ve a simple vista o con una cámara de régimen visible, la superficie codificada apareció como un bloque uniforme de color. Mientras tanto, la cámara de infrarrojos mostró las imágenes codificadas en escala de grises con una resolución que dependía de los plasmónicos de la superficie.
Los científicos realizaron mediciones espectrométricas de infrarrojos y visibles de los sistemas plasmónicos fabricados. Se obtuvieron imágenes de las superficies de resonancia infrarroja utilizando cámaras diseñadas para sus respectivas bandas de operación. Se usó un detector de antimonuro de indio enfriado para ver las superficies MWIR y un VO no enfriado X Se utilizó una cámara de microbolómetro para ver la superficie LWIR. El acoplamiento dipolar entre la matriz de orificios / discos y su interacción con la cavidad óptica dictaba la respuesta infrarroja. La difracción en los modos de cavidad de Fabry-Perot dominó el régimen visible. Las imágenes y los datos en escala de grises se codificaron en las superficies mapeando el diámetro de los orificios del sistema plasmónico en los píxeles respectivos.
a) El esquema del dispositivo plasmónico acoplado a la cavidad consta de un retrovisor, una serie de agujeros impresos en un polímero, y una segunda evaporación de oro para crear discos y una película perforada. b) Una imagen de microscopio electrónico de barrido en falso color del sistema plasmónico y un esquema con los diversos parámetros estructurales. c) Una superficie codificada donde los datos de los píxeles se asignan a las características estructurales del sistema plasmónico. El eje espectral muestra cómo los datos pueden manifestarse en el rango de longitud de onda deseado, como se muestra en la ventana de infrarrojos de onda corta, mientras que la superficie permanece uniforme en otras ventanas. Crédito:Luz - Ciencia y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0095-9.
Cuando el sistema plasmónico acoplado a cavidades se excitó en resonancia, Las interacciones coherentes entre los fotones y la densidad de electrones libres dentro del metal produjeron oscilaciones cargadas colectivamente conocidas como plasmones de superficie. La localización de cargas de alta densidad y las microcorrientes resultaron de las interacciones en los bordes de los elementos metálicos, cuya energía se disipó por pérdida óhmica.
Variando los parámetros del sistema, los científicos codificaron imágenes en la superficie dentro de un rango espectral deseado, mientras que estas imágenes no aparecían visibles dentro de otras. Por ejemplo, una imagen codificada dentro de la ventana de infrarrojos de onda media (MWIR), apareció como una imagen en escala de grises cuando se ve a través de una cámara MWIR, aunque la apariencia dentro del rango visible y el régimen de infrarrojos de onda larga (LWIR) se mantuvo constante.
Se exploran dos sistemas para operar en las ventanas de transparencia de infrarrojos de onda media (MWIR) e infrarrojos de onda larga (LWIR). a) Esquema del dispositivo plasmónico diseñado para el MWIR yb) correspondientes simulaciones de reflectancia en el dominio del tiempo de diferencia finita (FDTD) en función del diámetro del orificio. c) Un esquema del dispositivo LWIR yd) el barrido FDTD equivalente de los diámetros de los orificios. Las líneas negras punteadas representan el rango de funcionamiento deseado por infrarrojos. El diámetro del orificio se puede usar para barrer a través de estas ventanas mientras se mantiene invariante la absorción visible. Los perfiles de campo se presentan en longitudes de onda etiquetadas y diámetros de orificio para ilustrar los mecanismos detrás de las resonancias en diferentes regímenes espectrales. Crédito:Luz - Ciencia y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0095-9.
Los científicos caracterizaron los rasgos ópticos del sistema plasmónico acoplado a cavidades en el estudio y los categorizaron por características geométricas relativas a la longitud de onda de la luz incidente (λ C ª ). Para demostrar este efecto, En el estudio dirigido por el grupo de investigación, se definieron y simularon principalmente dos dispositivos para operar en las ventanas de transparencia atmosférica MWIR y LWIR. Los espectros de reflectancia multiespectral de las respectivas superficies se calcularon en función del diámetro del agujero utilizando el método FDTD.
Cuando la luz incidente era considerablemente más grande que el patrón, el sistema se comportó como un plano metálico o un espejo. A medida que la luz incidente disminuyó, Se produjo una transmisión de luz extraordinaria a través de la matriz de disco y orificio de sublongitud de onda, debido a la resonancia de plasmón inducida, acoplando la onda electromagnética en la cavidad. A medida que la luz incidente se volvió comparable a la dimensión estructural de la matriz, el sistema admitía resonancias plasmónicas y de interferencia de orden superior debido al inicio de la difracción interna de la cavidad. Usando el estudio de parámetros, Franklin y col. identificó dos posibles rutas para lograr la codificación infrarroja; (i) el diámetro de los orificios y (ii) la profundidad del relieve, mientras se mantiene una absorción visible uniforme.
La eficiencia de difracción promediada espectral y de orden del primer y segundo órdenes a incidencia normal para a) el dispositivo MWIR yb) el dispositivo LWIR. La eficiencia se promedia en el rango espectral visible de 400 a 800 nm. Las líneas de puntos negros indican el rango de diámetros con una desviación máxima del 1%. Los recuadros representan los dispositivos respectivos y la degeneración del primer orden difractado basado en la simetría de la matriz de agujeros. Crédito:Luz - Ciencia y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0095-9.
Los científicos cuantificaron la eficiencia de difracción en el estudio de los dispositivos MWIR y LWIR en función del diámetro del orificio utilizando FDTD. Los resultados indicaron que los dispositivos podrían sintonizarse para diferentes longitudes de onda; principalmente a través de las ventanas de transparencia infrarroja modificando el diámetro del orificio / disco y manteniendo el brillo de píxel a píxel en el dominio visible. La información codificada no era 'invisible' para diferentes longitudes de onda, por el contrario, las dimensiones del sistema plasmónico de agujeros y discos excedían el límite de difracción de la luz visible. Las características individuales eran visibles con objetivos de gran aumento. El estudio combinó la facilidad de fabricación y la compatibilidad en sustratos flexibles para diseñar la arquitectura del dispositivo. Los resultados conducirán a nuevas superficies plasmónicas con funciones multiespectrales para codificar información.
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