憑借納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)，等離子體材料可以獨(dú)特地控制電磁波譜。從光學(xué)材料的振幅、相位和波前的光學(xué)特性來(lái)看，納米技術(shù)和材料科學(xué)及其在納米尺度開(kāi)發(fā)受控幾何形狀的綜合能力在不斷進(jìn)步。盡管研究人員已經(jīng)關(guān)注個(gè)別頻率和波長(zhǎng)，但很少有研究試圖控制多個(gè)電磁頻率范圍內(nèi)的基本特性。

例如，多光譜系統(tǒng)可以構(gòu)建具有組合功能的新表面，例如反射多層膜，能夠在透明的大氣窗口中選擇性地吸收和發(fā)射紅外光以進(jìn)行熱管理。類似地，具有可調(diào)諧共振的等離子體濾波器可用于多光譜彩色成像。這些概念可以應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)偽裝和防偽技術(shù)。

紅外編碼數(shù)據(jù)和圖像：a）阿富汗女孩照片，通過(guò)將孔徑映射到紅外灰度來(lái)編碼到等離子體表面；b）可見(jiàn)光相機(jī)（EOS Rebel T6i，Canon）成像；c）用制冷銻化銦探測(cè)器（A8300sc，F(xiàn)LIR）拍攝的編碼MWIR表面的紅外圖像。

由于等離子體激元雜交和等離子-聲子耦合的固有特征，這種系統(tǒng)中的共振以激發(fā)的電和磁多極模式出現(xiàn)，其依賴于組成材料的幾何形狀和尺寸。這些特性可以有效地用于設(shè)計(jì)材料的光學(xué)表面特性。不過(guò)，嘗試控制結(jié)構(gòu)參數(shù)和適應(yīng)特定光譜范圍，會(huì)影響較低波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高階諧振，導(dǎo)致在特定光譜區(qū)域缺乏對(duì)光學(xué)特性的獨(dú)立控制。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)出了一款應(yīng)用等離子體激元的新器件，使用多層腔耦合納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)控制各種波長(zhǎng)的光。該等離子體系統(tǒng)在整個(gè)中波（3~5μm）和長(zhǎng)波（8~12μm）紅外（MWIR和LWIR）大氣透明窗口中保持連續(xù)可調(diào)吸收，同時(shí)保持近乎不變的可見(jiàn)光特性。該器件由美國(guó)中弗洛里達(dá)大學(xué)（University of Central Florida）物理系的Daniel Franklin及其同事設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，采用帶有規(guī)則間隔的納米孔圖紋的介電層制造。通過(guò)設(shè)計(jì)，這層納米結(jié)構(gòu)夾在反射金屬鏡和薄的上金層之間，上金層具有對(duì)應(yīng)中間盤(pán)的孔洞。在功能上，多層腔耦合納米結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)取決于等離子體共振、衍射和腔反饋之間的相互作用。

該研究利用時(shí)域有限差分（FDTD）數(shù)值模擬方法，定義并探討了各區(qū)域的共振模式。確定并改變參數(shù)以創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)紅外（IR）調(diào)色板。這些圖像使用IR相機(jī)可見(jiàn)，但通過(guò)一致的像素到像素等離子體吸收和衍射，在可見(jiàn)光區(qū)域被隱藏了。該研究使用多光譜工程來(lái)驗(yàn)證腔誘導(dǎo)等離子體在偽裝和防偽技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。這項(xiàng)研究成果現(xiàn)已發(fā)表于Light：Science and Applications。

作為原理論證，F(xiàn)ranklin等將圖像和數(shù)據(jù)編碼到材料表面，并使用紅外和可見(jiàn)光相機(jī)觀察它們，以驗(yàn)證腔耦合等離子體系統(tǒng)的潛力。在該技術(shù)中，科學(xué)家們通過(guò)紅外相機(jī)成像在給定像素直徑和表面灰度值之間創(chuàng)建了映射。首先使用直接激光寫(xiě)入到主模板聚合物對(duì)圖像進(jìn)行編碼，該主模板聚合物用于使用納米壓印光刻（NIL）制造納米結(jié)構(gòu)表面。在NIL工藝之前和之后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)產(chǎn)生的三層金屬腔進(jìn)行成像以進(jìn)行表面表征。

通過(guò)改變主寫(xiě)入過(guò)程的激光寫(xiě)入?yún)?shù)（功率和速度），科學(xué)家們獲得了中波紅外（MWIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）器件的各種孔徑。根據(jù)入射光和視角的角度，當(dāng)通過(guò)眼睛或使用可見(jiàn)光相機(jī)觀察時(shí)，編碼表面看起來(lái)是均勻的顏色塊。同時(shí)，取決于表面等離子體，紅外相機(jī)能夠以一定的分辨率顯示編碼的灰度圖像。

科學(xué)家對(duì)制造的等離子體系統(tǒng)進(jìn)行了可見(jiàn)光和紅外光譜測(cè)量。利用分別為各自運(yùn)行波段設(shè)計(jì)的相機(jī)，對(duì)紅外諧振表面進(jìn)行了成像。利用制冷型銻化銦探測(cè)器觀察MWIR表面，并使用非制冷VOx微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)觀察LWIR表面。孔/盤(pán)陣列之間的偶極耦合及其與光學(xué)腔的相互作用決定了紅外響應(yīng)。Fabry-Perot腔模式的衍射主導(dǎo)了可見(jiàn)光區(qū)域。灰度圖像和數(shù)據(jù)通過(guò)將等離子體系統(tǒng)的孔直徑分別映射到各個(gè)像素，編碼到表面中。

a）腔耦合等離子體器件示意圖，包括后透鏡，聚合物中的印跡孔陣列，以及金二次蒸發(fā)以產(chǎn)生圓盤(pán)和穿孔薄膜；b）等離子體系統(tǒng)的假彩色掃描電子顯微鏡圖像和具有各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的示意圖；c）編碼表面，其中像素?cái)?shù)據(jù)被映射到等離子體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。光譜軸顯示了數(shù)據(jù)如何在期望的波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯示，如短波紅外窗口顯示，表面在其他窗口保持均勻。

當(dāng)腔耦合等離子體系統(tǒng)在共振激發(fā)時(shí)，光子之間的相干相互作用和金屬內(nèi)的自由電子密度產(chǎn)生集體帶電振蕩，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(guò)改變系統(tǒng)的參數(shù)，科學(xué)家們?cè)诒砻嫔暇幋a了所需光譜范圍內(nèi)的圖像，而這些圖像在其他光譜范圍不可見(jiàn)。例如，在MWIR窗口內(nèi)編碼的圖像在通過(guò)MWIR相機(jī)觀看時(shí)顯示為灰度圖像，但在可見(jiàn)光和LWIR區(qū)域保持單色。

探索了兩種在MWIR和LWIR透明窗口運(yùn)行的系統(tǒng)。a）為MWIR設(shè)計(jì)的等離子體器件示意圖；b）相應(yīng)的時(shí)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運(yùn)行范圍。

科學(xué)家們?cè)谘芯恐袑?duì)腔耦合等離子體系統(tǒng)的光學(xué)特性進(jìn)行了表征，并通過(guò)相對(duì)于入射光波長(zhǎng)（λinc）的幾何特征對(duì)它們進(jìn)行了分類。為了證明這種效果，在研究小組領(lǐng)導(dǎo)的研究中，主要定義和模擬了兩個(gè)在MWIR和LWIR大氣透明窗口中運(yùn)行的器件。利用FDTD方法計(jì)算了各個(gè)表面的多光譜反射光譜，該光譜是孔直徑的函數(shù)。

當(dāng)入射光波長(zhǎng)比圖案大得多時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為金屬平面或鏡子。隨著入射光波長(zhǎng)的減小，由于感應(yīng)等離子體共振，將電磁波耦合到腔體中，通過(guò)亞波長(zhǎng)孔-盤(pán)陣列發(fā)生非尋常的光透射。隨著入射光波長(zhǎng)變得與孔-盤(pán)陣列的結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)，系統(tǒng)支持由于腔內(nèi)衍射引起的高階等離子體和干涉共振。通過(guò)參數(shù)研究，F(xiàn)ranklin等確定了實(shí)現(xiàn)紅外編碼的兩種可能途徑：1）孔的直徑和2）浮雕深度，同時(shí)保持均勻的可見(jiàn)光吸收。

對(duì)于a）MWIR器件和b）LWIR器件，在垂直入射時(shí)的第一和第二階的光譜平均衍射效率。效率在400~800nm可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)取平均值。黑色虛線表示直徑范圍，最大偏差為1％。插圖基于孔陣列的對(duì)稱性描繪了各個(gè)器件和一階衍射的簡(jiǎn)并性。

科學(xué)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(guān)系。結(jié)果表明，器件可以針對(duì)不同波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧；主要通過(guò)紅外透明窗口修改孔/盤(pán)直徑，并在可見(jiàn)光區(qū)域保持像素到像素亮度。對(duì)于不同波長(zhǎng)，編碼信息不是“不可見(jiàn)的”，相反，等離子體孔-盤(pán)系統(tǒng)的尺寸超過(guò)了可見(jiàn)光的衍射極限。使用高放大率物鏡可以看到各個(gè)特征。該研究結(jié)合了易于制造和柔性襯底上的兼容性來(lái)設(shè)計(jì)器件架構(gòu)。結(jié)果將帶來(lái)具有多光譜功能的新等離子體表面以編碼信息。