[論文レビュー] All-optical continuous tuning of phase-change plasmonic metasurfaces for multispectral thermal imaging

Matthew Julian, Calum Williams+3 more|Figshare|Dec 17, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 54被引用数 27

ひとこと要約

本論文では、ナノホールアレイに埋め込まれたゲルマニウムアンチモンテルルイド（GST）を用いた、全光的で連続的かつ可逆的な位相変化プラズモニックメタサーフェスの位相制御を提示する。これにより、3–5 μm帯の中赤外波長域において、動的で狭帯域のフィルタリングが可能となる。デバイスは、全波長半値幅（FWHM）が約74 nm、透過率が約70%に達し、ナノ秒未満の光学スイッチング速度で複数のスプライスを伴う熱画像撮影を可能にし、多数のサイクルにわたり安定した性能を示す。

ABSTRACT

Actively tunable, narrowband spectral filtering across arbitrary optical wavebands is highly desirable in a plethora of applications, from chemical sensing, hyperspectral imaging to infrared astronomy. Yet, the ability to actively reconfigure the optical properties of a solid-state narrowband filter remains elusive. Existing solutions require either moving parts, have slow response times or provide limited spectral coverage. Here, we demonstrate a continuously tunable, spectrally-agnostic, all-solid-state, narrowband phase-change metasurface filter based on a GeSbTe (GST)-embedded plasmonic nanohole array. The passband of the presented tunable filter is ~74 nm with ~70% transmittance and operates across 3 - 5 $μ$m; the thermal imaging waveband. Continuous, reconfigurable tuning is achieved by exploiting intermediate GST phases via optical switching with a single nanosecond laser pulse and material stability is verified through multiple switching cycles. We further demonstrate multispectral thermal imaging in the mid-wave infrared using our phase-change metasurfaces. Our results pave the way for highly functional, reduced power, compact hyperspectral imaging systems and optical filters.

研究の動機と目的

• 可動部がなく、固体状態で、能動的にチューニング可能な狭帯域光学フィルタを、マルチスペクトル熱画像化に向け開発すること。
• 従来のフィルタの限界、例えば応答速度の遅さ、スペクトルカバー範囲の制限、機械的駆動の必要性を克服すること。
• 中赤外帯域の3–5 μm範囲で、光スイッチングによる位相変化材料の相転移を用いて、連続的かつ可逆的なチューニングを実現すること。
• 1つの再構成可能なメタサーフェスを用いて、実用的なマルチスペクトル熱画像撮影の応用を示すこと。
• 繰り返しのスイッチングサイクルにわたって、高い透過率と安定性を維持することにより、実世界への展開を可能とすること。

提案手法

• プラズモニックナノホールアレイにゲルマニウムアンチモンテルルイド（GST）位相変化材料を埋め込み、狭帯域フィルタを構築する。
• 単一のナノ秒パルスレーザーを用いて、GSTのアモルファス状態と結晶状態との間の相転移を誘発することで、光学的チューニングを実現する。
• GSTの中間相を活用し、3–5 μm範囲にわたる連続的なスペクトルチューニングを実現する。
• システムはスペクトルに依存しないフィルタとして動作し、チューニング範囲全域で狭帯域応答を維持する。
• 理論的および実験的評価により、透過率、スペクトル幅、チューニング範囲が確認された。
• フィルタを順次チューニングし、異なる波長で画像を撮影することで、マルチスペクトル画像撮影を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤外域において、位相変化材料を用いた全光的連続的チューニングが、プラズモニックメタサーフェスで実現可能か？
• RQ2 このようなシステムが、チューニング中にも高い透過率と狭帯域スペクトル幅を維持できるか？
• RQ3 1つの再構成可能な要素を用いて、実用的なマルチスペクトル熱画像撮影を実現できるか？
• RQ4 多数のサイクルにわたる光学スイッチングの安定性と再現性はどの程度か？
• RQ5 GSTの中間相を効果的に活用して、連続的なスペクトルチューニングが可能か？

主な発見

• メタサーフェスは、3–5 μm波長域全域で全波長半値幅（FWHM）が約74 nm、ピーク透過率が約70%に達する。
• 単一のナノ秒パルスレーザーを用いて、GSTの相転移を誘発することで、3–5 μm範囲全域にわたる連続的チューニングが実証された。
• 多数のスイッチングサイクルにわたり、安定した光学的応答を示し、材料の耐久性と可逆性が確認された。
• フィルタを順次チューニングし、異なる波長で画像を撮影することで、マルチスペクトル熱画像撮影が成功裏に実証された。
• スペクトルに依存しない、完全に固体状態のフィルタとして動作し、可動部がなく、コンパクトで低消費電力な動作が可能となった。
• 本手法により、ハイパースペクトルイメージングやセンシング応用に適した、動的かつ再構成可能なスペクトルフィルタリングが実現可能となった。