隱藏在等離子體視線中的隱蔽紅外影象編碼，可用於偽裝和防偽
憑藉納米級表面結構，等離子體材料可以獨特地控制電磁波譜。從光學材料的振幅、相位和波前的光學特性來看，納米技術和材料科學及其在納米尺度開發受控幾何形狀的綜合能力在不斷進步。儘管研究人員已經關注個別頻率和波長，但很少有研究試圖控制多個電磁頻率範圍內的基本特性。
例如，多光譜系統可以構建具有組合功能的新表面，例如反射多層膜，能夠在透明的大氣視窗中選擇性地吸收和發射紅外光以進行熱管理。類似地，具有可調諧共振的等離子體濾波器可用於多光譜彩色成像。這些概念可以應用於實現偽裝和防偽技術。
紅外編碼資料和影象：a）阿富汗女孩照片，通過將孔徑對映到紅外灰度來編碼到等離子體表面；b）可見光相機（EOS Rebel T6i，Canon）成像；c）用製冷銻化銦探測器（A8300sc，FLIR）拍攝的編碼MWIR表面的紅外影象。
由於等離子體激元雜交和等離子-聲子耦合的固有特徵，這種系統中的共振以激發的電和磁多極模式出現，其依賴於組成材料的幾何形狀和尺寸。這些特性可以有效地用於設計材料的光學表面特性。不過，嘗試控制結構引數和適應特定光譜範圍，會影響較低波長範圍內的高階諧振，導致在特定光譜區域缺乏對光學特性的獨立控制。
據麥姆斯諮詢報道，在最近的一項研究中，研究人員開發出了一款應用等離子體激元的新器件，使用多層腔耦合納米結構系統來控制各種波長的光。該等離子體系統在整個中波（3~5μm）和長波（8~12μm）紅外（MWIR和LWIR）大氣透明視窗中保持連續可調吸收，同時保持近乎不變的可見光特性。該器件由美國中弗洛裡達大學（University of Central Florida）物理系的Daniel Franklin及其同事設計和開發，採用帶有規則間隔的納米孔圖紋的介電層製造。通過設計，這層納米結構夾在反射金屬鏡和薄的上金層之間，上金層具有對應中間盤的孔洞。在功能上，多層腔耦合納米結構的光譜響應取決於等離子體共振、衍射和腔反饋之間的相互作用。
該研究利用時域有限差分（FDTD）數值模擬方法，定義並探討了各區域的共振模式。確定並改變引數以建立實驗紅外（IR）調色盤。這些影象使用IR相機可見，但通過一致的畫素到畫素等離子體吸收和衍射，在可見光區域被隱藏了。該研究使用多光譜工程來驗證腔誘導等離子體在偽裝和防偽技術領域的應用。這項研究成果現已發表於Light：Science and Applications。
作為原理論證，Franklin等將影象和資料編碼到材料表面，並使用紅外和可見光相機觀察它們，以驗證腔耦合等離子體系統的潛力。在該技術中，科學家們通過紅外相機成像在給定畫素直徑和表面灰度值之間建立了對映。首先使用直接鐳射寫入到主模板聚合物對影象進行編碼，該主模板聚合物用於使用納米壓印光刻（NIL）製造納米結構表面。在NIL工藝之前和之後，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對產生的三層金屬腔進行成像以進行表面表徵。
通過改變主寫入過程的鐳射寫入引數（功率和速度），科學家們獲得了中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）器件的各種孔徑。根據入射光和視角的角度，當通過眼睛或使用可見光相機觀察時，編碼表面看起來是均勻的顏色塊。同時，取決於表面等離子體，紅外相機能夠以一定的解析度顯示編碼的灰度影象。
科學家對製造的等離子體系統進行了可見光和紅外光譜測量。利用分別為各自執行波段設計的相機，對紅外諧振表面進行了成像。利用製冷型銻化銦探測器觀察MWIR表面，並使用非製冷VOx微測輻射熱計相機觀察LWIR表面。孔/盤陣列之間的偶極耦合及其與光學腔的相互作用決定了紅外響應。Fabry-Perot腔模式的衍射主導了可見光區域。灰度影象和資料通過將等離子體系統的孔直徑分別對映到各個畫素，編碼到表面中。
a）腔耦合等離子體器件示意圖，包括後透鏡，聚合物中的印跡孔陣列，以及金二次蒸發以產生圓盤和穿孔薄膜；b）等離子體系統的假彩色掃描電子顯微鏡影象和具有各種結構引數的示意圖；c）編碼表面，其中畫素資料被對映到等離子體系統的結構特徵。光譜軸顯示了資料如何在期望的波長範圍內顯示，如短波紅外視窗顯示，表面在其他視窗保持均勻。
當腔耦合等離子體系統在共振激發時，光子之間的相干相互作用和金屬內的自由電子密度產生集體帶電振盪，稱為表面等離子體。高密度電荷局域化和微電流，源自金屬元素邊緣上的相互作用，其能量由歐姆損耗耗散。
通過改變系統的引數，科學家們在表面上編碼了所需光譜範圍內的影象，而這些影象在其他光譜範圍不可見。例如，在MWIR視窗內編碼的影象在通過MWIR相機觀看時顯示為灰度影象，但在可見光和LWIR區域保持單色。
探索了兩種在MWIR和LWIR透明視窗執行的系統。a）為MWIR設計的等離子體器件示意圖；b）相應的時域有限差分（FDTD）模擬反射率隨孔徑的變化；c）LWIR器件示意圖；d）孔直徑的等效FDTD掃描。黑色虛線指出了紅外所需的執行範圍。
科學家們在研究中對腔耦合等離子體系統的光學特性進行了表徵，並通過相對於入射光波長（λinc）的幾何特徵對它們進行了分類。為了證明這種效果，在研究小組領導的研究中，主要定義和模擬了兩個在MWIR和LWIR大氣透明視窗中執行的器件。利用FDTD方法計算了各個表面的多光譜反射光譜，該光譜是孔直徑的函式。
當入射光波長比圖案大得多時，系統表現為金屬平面或鏡子。隨著入射光波長的減小，由於感應等離子體共振，將電磁波耦合到腔體中，通過亞波長孔-盤陣列發生非尋常的光透射。隨著入射光波長變得與孔-盤陣列的結構尺寸相當，系統支援由於腔內衍射引起的高階等離子體和干涉共振。通過引數研究，Franklin等確定了實現紅外編碼的兩種可能途徑：1）孔的直徑和2）浮雕深度，同時保持均勻的可見光吸收。
對於a）MWIR器件和b）LWIR器件，在垂直入射時的第一和第二階的光譜平均衍射效率。效率在400~800nm可見光譜範圍內取平均值。黑色虛線表示直徑範圍，最大偏差為1％。插圖基於孔陣列的對稱性描繪了各個器件和一階衍射的簡併性。
科學家使用FDTD量化了MWIR和LWIR器件研究中的衍射效率與孔徑的關係。結果表明，器件可以針對不同波長進行調諧；主要通過紅外透明視窗修改孔/盤直徑，並在可見光區域保持畫素到畫素亮度。對於不同波長，編碼資訊不是“不可見的”，相反，等離子體孔-盤系統的尺寸超過了可見光的衍射極限。使用高放大率物鏡可以看到各個特徵。該研究結合了易於製造和柔性襯底上的相容性來設計器件架構。結果將帶來具有多光譜功能的新等離子體表面以編碼資訊。
延伸閱讀：
《紅外成像市場-2018版》
《非製冷紅外成像技術與市場趨勢-2017版》
《紅外LED和鐳射二極體：技術、應用和產業趨勢》
《紅外新聞》-2018年上半年刊