[논문 리뷰] All-optical continuous tuning of phase-change plasmonic metasurfaces for multispectral thermal imaging

Matthew Julian, Calum Williams외 3명|Figshare|2019. 12. 17.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 54인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 나노홀 배열에 포함된 GeSbTe(GST)를 사용하여 광학적 전환을 통해 전체적으로 연속적이고 가역적인 위상변화 플라스모닉 메타표면의 위상 조절을 구현하며, 3–5 μm 중적외선 파장 대역에서 동적 좁대역 필터링을 가능하게 한다. 장치는 약 74 nm의 반폭전고도, 약 70%의 투과율을 달성하며, 나노초 이내의 광학 스위칭과 다수의 사이클에 걸친 안정된 성능을 통해 다중스펙트럼 열영상 촬영을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이동 부품이 없는 고체상, 능동 조절이 가능한 좁대역 광학 필터를 다중스펙트럼 열영상 촬영을 위해 개발하기.
• 기존 필터의 한계인 느린 반응 속도, 제한된 스펙트럼 커버리지 또는 기계적 구동 방식을 극복하기.
• 위상 변화 물질의 광학적 스위칭을 통해 3–5 μm 열영상 촬영 대역에서 연속적이고 가역적인 조절을 실현하기.
• 단일 재구성 가능한 메타표면을 통해 실용적인 다중스펙트럼 열영상 촬영의 응용을 입증하기.
• 실제 환경에 적용 가능한 반복 스위칭 사이클 동안 높은 투과율과 안정성을 확보하기.

제안 방법

• 플라스모닉 나노홀 배열에 GeSbTe(GST) 위상 변화 물질을 내장하여 좁대역 필터를 생성한다.
• 단일 나노초 레이저 펄스를 통해 GST의 비정질 상태와 결정 상태 간의 상전이를 유도함으로써 광학적 조절을 구현한다.
• GST의 중간 상을 활용하여 3–5 μm 범위 전역에서 연속적인 스펙트럼 조절을 실현한다.
• 시스템은 스펙트럼에 무관한 필터로 작동하여 조절 범위 전역에서 좁대역 응답을 유지한다.
• 이론적 및 실험적 특성 분석을 통해 투과율, 스펙트럼 폭, 조절 범위를 확인한다.
• 다양한 파장에서 이미지를 촬영하기 위해 필터를 순차적으로 조절함으로써 다중스펙트럼 영상 촬영을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중적외선 영역에서 위상 변화 물질을 사용하여 플라스모닉 메타표면의 광학적 전환을 통한 연속적 조절이 가능할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템은 조절 중에도 높은 투과율과 좁은 스펙트럼 대역폭을 유지할 수 있는가?
• RQ3 장치는 단일 재구성 가능한 요소로 실용적인 다중스펙트럼 열영상 촬영을 지원할 수 있는가?
• RQ4 다수의 사이클에 걸쳐 광학 스위칭의 안정성과 반복 가능성은 어떠한가?
• RQ5 GST의 중간 상은 연속적인 스펙트럼 조절에 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 메타표면은 3–5 μm 파장 대역 전역에서 약 74 nm의 반폭전고도(FWHM)와 약 70%의 최대 투과율을 달성한다.
• 단일 나노초 레이저 펄스를 사용하여 GST의 상전이를 유도함으로써 3–5 μm 전체 범위에서 연속적인 조절이 실현된다.
• 다수의 스위칭 사이클 동안 안정된 광학 응답을 유지함으로써 재료의 내구성과 가역성을 확인한다.
• 다양한 파장에서 이미지를 촬영하기 위해 필터를 순차적으로 조절함으로써 다중스펙트럼 열영상 촬영이 성공적으로 구현된다.
• 스펙트럼에 무관한 고체상 필터로서 이동 부품이 없으며, 컴팩트하고 저전력 작동이 가능하다.
• 이 방법은 고도로 재구성 가능한 동적 스펙트럼 필터링을 가능하게 하여 고분광 영상 촬영 및 센서 응용 분야에 적합하다.