多波段光獨(dú)立調(diào)控為光學(xué)安全提供了新契機(jī)。盡管已有可見光與紅外波段的雙波段光學(xué)加密方法，但要在可見光（VIS）、中波紅外（MWIR）與長(zhǎng)波紅外（LWIR）三波段實(shí)現(xiàn)同步協(xié)同的光學(xué)安全仍是一大挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)能夠獨(dú)立調(diào)控可見光與中紅外光譜特性的超構(gòu)表面，可應(yīng)用于多光譜成像。在信息加密或防偽時(shí)，這一理念可確保信息僅在特定譜段內(nèi)可見，有效規(guī)避了傳統(tǒng)防偽材料因標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程而導(dǎo)致的可預(yù)測(cè)性問(wèn)題。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，東南大學(xué)鐘文琪教授/趙東亮教授與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所李瑋研究員合作提出了一種光譜工程化的三波段成像超構(gòu)表面。研究人員通過(guò)在不同區(qū)域設(shè)計(jì)獨(dú)特的光子結(jié)構(gòu)，精確控制了各成像區(qū)域的可見光反射率及中波紅外、長(zhǎng)波紅外發(fā)射率，從而使超構(gòu)表面能在可見光、中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段同時(shí)呈現(xiàn)不同信息。該超構(gòu)表面兼容剛性與柔性襯底，制造工藝簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展。這項(xiàng)研究還展示了基于該超構(gòu)表面的復(fù)雜二維碼編碼與誤導(dǎo)性加密實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。這項(xiàng)研究為先進(jìn)光學(xué)安全與熱偽裝技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。這項(xiàng)研究以“A Triband Metasurface Covering Visible, Midwave Infrared, and Long-Wave Infrared for Optical Security”為題發(fā)表在Nano Letters期刊上。這項(xiàng)研究提出的三波段超構(gòu)表面通過(guò)控制可見光反射率、中波紅外與長(zhǎng)波紅外發(fā)射率，從而實(shí)現(xiàn)了可見光、中波紅外與長(zhǎng)波紅外三波段成像，相關(guān)概念如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)三波段成像并保證中波紅外/長(zhǎng)波紅外信息的低可預(yù)測(cè)性，超構(gòu)表面的四個(gè)分區(qū)（R1、R2、R3、R4）需同時(shí)滿足以下要求：（1）R1、R3、R4在可見光波段保持相同顏色，防止隱藏信息被人眼或可見光相機(jī)探測(cè)；（2）R1在中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段應(yīng)具有低發(fā)射率，以維持成像區(qū)域外的統(tǒng)一背景；（3）R2在可見光波段應(yīng)呈現(xiàn)不同于R1/R3/R4的顏色，同時(shí)在中波紅外與長(zhǎng)波紅外波段具有低發(fā)射率，用于可見光成像；（4）R3在中波紅外波段應(yīng)具有高發(fā)射率、長(zhǎng)波紅外波段具有低發(fā)射率，以實(shí)現(xiàn)僅中波紅外成像；（5）R4在中波紅外波段應(yīng)具有低發(fā)射率、長(zhǎng)波紅外波段具有高發(fā)射率，以實(shí)現(xiàn)僅長(zhǎng)波紅外成像。該超構(gòu)表面的光子結(jié)構(gòu)與熱結(jié)構(gòu)如圖2A和圖2B所示。光子結(jié)構(gòu)可精確調(diào)控R2的可見光反射率以及R3、R4的中波紅外與長(zhǎng)波紅外發(fā)射率。R1由400?nm厚的鍺（Ge）層和100?nm厚的鋁（Al）層構(gòu)成，該雙層結(jié)構(gòu)兼具紅外反射與紅外透明特性。R3和R4的高選擇性發(fā)射率由F–P諧振腔實(shí)現(xiàn)，該腔由金屬吸收層／無(wú)損耗介質(zhì)層／反射層構(gòu)成。
圖2 三波段超構(gòu)表面的光子設(shè)計(jì)和理論分析為了制備該三波段超構(gòu)表面，研究人員采用磁控濺射的方法，并通過(guò)多種掩膜在同一襯底上分別沉積不同區(qū)域的光子結(jié)構(gòu)。該三波段超構(gòu)表面的光學(xué)表征如圖3所示。結(jié)果表明，相比其他雙波段光學(xué)安全材料，該三波段超構(gòu)表面在成像波段數(shù)量和加密隱蔽性方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于通過(guò)卷對(duì)卷濺射等工藝大規(guī)模制造，兼容剛性與柔性襯底，具備良好應(yīng)用前景。圖3 三波段超構(gòu)表面的光學(xué)表征為展示該超構(gòu)表面在三波段成像中的應(yīng)用潛力，研究人員設(shè)計(jì)了復(fù)雜二維碼圖案進(jìn)行編碼，并分別通過(guò)可見光、中波紅外與長(zhǎng)波紅外探測(cè)器進(jìn)行圖像重建，相關(guān)編碼過(guò)程及圖像重建結(jié)果如圖4所示。
圖4 三波段超構(gòu)表面的復(fù)雜二維碼加密應(yīng)用該三波段超構(gòu)表面的已通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具備復(fù)雜信息的編碼與解碼能力，研究人員還將展示該超構(gòu)表面的可見光編碼區(qū)可沿深度方向與中波紅外/長(zhǎng)波紅外編碼區(qū)空間疊加的特性。該疊加特性使超構(gòu)表面能夠在單位面積內(nèi)存儲(chǔ)更多信息，并實(shí)現(xiàn)誤導(dǎo)性加密，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。
圖5 三波段超構(gòu)表面的信息誤導(dǎo)性加密應(yīng)用綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種能夠在可見光、中波紅外與長(zhǎng)波紅外三波段同步呈現(xiàn)不同信息的三波段超構(gòu)表面，用于光學(xué)安全領(lǐng)域。該超構(gòu)表面分別通過(guò)精心設(shè)計(jì)的光子結(jié)構(gòu)精確調(diào)控各波段的可見光反射率與紅外發(fā)射率，從而在可見光波段完全隱藏中波紅外/長(zhǎng)波紅外信息?？梢姽馀c中波紅外/長(zhǎng)波紅外成像區(qū)域的疊加能力，進(jìn)一步提升了信息存儲(chǔ)與誤導(dǎo)性加密的復(fù)雜度。該超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兼容多種剛性與柔性襯底，且可借助卷對(duì)卷磁控濺射等現(xiàn)有工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，為先進(jìn)光學(xué)安全與熱偽裝技術(shù)的發(fā)展開辟了新路徑。https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00083
《超構(gòu)透鏡（Metalens）專利態(tài)勢(shì)分析-2024版》
《光學(xué)和射頻領(lǐng)域的超構(gòu)材料和超構(gòu)表面-2024版》
《光學(xué)和射頻應(yīng)用的超構(gòu)材料-2024版》
《光譜成像市場(chǎng)和趨勢(shì)-2022版》
《小型、微型和芯片級(jí)光譜儀技術(shù)及市場(chǎng)-2020版》
