隐藏在等离子体视线中的隐蔽红外图像编码,可用于伪装和防伪

凭借纳米级表面结构,等离子体材料可以独特地控制电磁波谱。从光学材料的振幅、相位和波前的光学特性来看,纳米技术和材料科学及其在纳米尺度开发受控几何形状的综合能力在不断进步。尽管研究人员已经关注个别频率和波长,但很少有研究试图控制多个电磁频率范围内的基本特性。

例如,多光谱系统可以构建具有组合功能的新表面,例如反射多层膜,能够在透明的大气窗口中选择性地吸收和发射红外光以进行热管理。类似地,具有可调谐共振的等离子体滤波器可用于多光谱彩色成像。这些概念可以应用于实现伪装和防伪技术。

红外编码数据和图像:a)阿富汗女孩照片,通过将孔径映射到红外灰度来编码到等离子体表面;b)可见光相机(EOS Rebel T6i,Canon)成像;c)用制冷锑化铟探测器(A8300sc,FLIR)拍摄的编码MWIR表面的红外图像。

由于等离子体激元杂交和等离子-声子耦合的固有特征,这种系统中的共振以激发的电和磁多极模式出现,其依赖于组成材料的几何形状和尺寸。这些特性可以有效地用于设计材料的光学表面特性。不过,尝试控制结构参数和适应特定光谱范围,会影响较低波长范围内的高阶谐振,导致在特定光谱区域缺乏对光学特性的独立控制。

据麦姆斯咨询报道,在最近的一项研究中,研究人员开发出了一款应用等离子体激元的新器件,使用多层腔耦合纳米结构系统来控制各种波长的光。该等离子体系统在整个中波(3~5μm)和长波(8~12μm)红外(MWIR和LWIR)大气透明窗口中保持连续可调吸收,同时保持近乎不变的可见光特性。该器件由美国中弗洛里达大学(University of Central Florida)物理系的Daniel Franklin及其同事设计和开发,采用带有规则间隔的纳米孔图纹的介电层制造。通过设计,这层纳米结构夹在反射金属镜和薄的上金层之间,上金层具有对应中间盘的孔洞。在功能上,多层腔耦合纳米结构的光谱响应取决于等离子体共振、衍射和腔反馈之间的相互作用。

该研究利用时域有限差分(FDTD)数值模拟方法,定义并探讨了各区域的共振模式。确定并改变参数以创建实验红外(IR)调色板。这些图像使用IR相机可见,但通过一致的像素到像素等离子体吸收和衍射,在可见光区域被隐藏了。该研究使用多光谱工程来验证腔诱导等离子体在伪装和防伪技术领域的应用。这项研究成果现已发表于Light:Science and Applications。

作为原理论证,Franklin等将图像和数据编码到材料表面,并使用红外和可见光相机观察它们,以验证腔耦合等离子体系统的潜力。在该技术中,科学家们通过红外相机成像在给定像素直径和表面灰度值之间创建了映射。首先使用直接激光写入到主模板聚合物对图像进行编码,该主模板聚合物用于使用纳米压印光刻(NIL)制造纳米结构表面。在NIL工艺之前和之后,使用扫描电子显微镜(SEM)对产生的三层金属腔进行成像以进行表面表征。

通过改变主写入过程的激光写入参数(功率和速度),科学家们获得了中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)器件的各种孔径。根据入射光和视角的角度,当通过眼睛或使用可见光相机观察时,编码表面看起来是均匀的颜色块。同时,取决于表面等离子体,红外相机能够以一定的分辨率显示编码的灰度图像。

科学家对制造的等离子体系统进行了可见光和红外光谱测量。利用分别为各自运行波段设计的相机,对红外谐振表面进行了成像。利用制冷型锑化铟探测器观察MWIR表面,并使用非制冷VOx微测辐射热计相机观察LWIR表面。孔/盘阵列之间的偶极耦合及其与光学腔的相互作用决定了红外响应。Fabry-Perot腔模式的衍射主导了可见光区域。灰度图像和数据通过将等离子体系统的孔直径分别映射到各个像素,编码到表面中。

a)腔耦合等离子体器件示意图,包括后透镜,聚合物中的印迹孔阵列,以及金二次蒸发以产生圆盘和穿孔薄膜;b)等离子体系统的假彩色扫描电子显微镜图像和具有各种结构参数的示意图;c)编码表面,其中像素数据被映射到等离子体系统的结构特征。光谱轴显示了数据如何在期望的波长范围内显示,如短波红外窗口显示,表面在其他窗口保持均匀。


当腔耦合等离子体系统在共振激发时,光子之间的相干相互作用和金属内的自由电子密度产生集体带电振荡,称为表面等离子体。高密度电荷局域化和微电流,源自金属元素边缘上的相互作用,其能量由欧姆损耗耗散。

通过改变系统的参数,科学家们在表面上编码了所需光谱范围内的图像,而这些图像在其他光谱范围不可见。例如,在MWIR窗口内编码的图像在通过MWIR相机观看时显示为灰度图像,但在可见光和LWIR区域保持单色。

探索了两种在MWIR和LWIR透明窗口运行的系统。a)为MWIR设计的等离子体器件示意图;b)相应的时域有限差分(FDTD)模拟反射率随孔径的变化;c)LWIR器件示意图;d)孔直径的等效FDTD扫描。黑色虚线指出了红外所需的运行范围。

科学家们在研究中对腔耦合等离子体系统的光学特性进行了表征,并通过相对于入射光波长(λinc)的几何特征对它们进行了分类。为了证明这种效果,在研究小组领导的研究中,主要定义和模拟了两个在MWIR和LWIR大气透明窗口中运行的器件。利用FDTD方法计算了各个表面的多光谱反射光谱,该光谱是孔直径的函数。

当入射光波长比图案大得多时,系统表现为金属平面或镜子。随着入射光波长的减小,由于感应等离子体共振,将电磁波耦合到腔体中,通过亚波长孔-盘阵列发生非寻常的光透射。随着入射光波长变得与孔-盘阵列的结构尺寸相当,系统支持由于腔内衍射引起的高阶等离子体和干涉共振。通过参数研究,Franklin等确定了实现红外编码的两种可能途径:1)孔的直径和2)浮雕深度,同时保持均匀的可见光吸收。

对于a)MWIR器件和b)LWIR器件,在垂直入射时的第一和第二阶的光谱平均衍射效率。效率在400~800nm可见光谱范围内取平均值。黑色虚线表示直径范围,最大偏差为1%。插图基于孔阵列的对称性描绘了各个器件和一阶衍射的简并性。

科学家使用FDTD量化了MWIR和LWIR器件研究中的衍射效率与孔径的关系。结果表明,器件可以针对不同波长进行调谐;主要通过红外透明窗口修改孔/盘直径,并在可见光区域保持像素到像素亮度。对于不同波长,编码信息不是“不可见的”,相反,等离子体孔-盘系统的尺寸超过了可见光的衍射极限。使用高放大率物镜可以看到各个特征。该研究结合了易于制造和柔性衬底上的兼容性来设计器件架构。结果将带来具有多光谱功能的新等离子体表面以编码信息。

延伸阅读:
《非制冷红外成像技术与市场趋势-2017版》

《红外LED和激光二极管:技术、应用和产业趋势》

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