[论文解读] 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 27

一句话总结

本文提出了一种基于GeSbTe（GST）纳米孔阵列的全光学、连续且可逆的相变等离子体超表面相位调制方法，实现了在3–5 μm中红外波段内的动态窄带滤波。该器件实现了约74 nm的半高全宽、约70%的透射率，并支持亚纳秒级光学开关的多光谱热成像，且在多次循环中表现出稳定性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无活动部件的固态、可主动调谐、窄带光学滤波器，用于多光谱热成像。
• 克服现有滤波器的局限性，如响应速度慢、光谱覆盖范围有限或依赖机械驱动。
• 利用相变材料的光学开关实现3–5 μm热成像波段内连续可逆的调谐。
• 通过单一可重构超表面，证明其在多光谱热成像中的实际应用。
• 实现重复开关循环中高透射率与稳定性，以支持实际部署。

提出的方法

• 器件采用嵌入GeSbTe（GST）相变材料的等离子体纳米孔阵列，构建窄带滤波器。
• 通过单纳秒激光脉冲诱导GST在非晶态与晶态之间的相变，实现光学调谐。
• 利用GST的中间相态，实现3–5 μm范围内连续的光谱调谐。
• 系统作为光谱无关滤波器运行，在整个调谐范围内保持窄带响应。
• 理论与实验表征证实了透射率、光谱宽度和调谐范围。
• 通过依次调谐滤波器并在不同波长下捕获图像，实现了多光谱成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在中红外波段内，利用相变材料实现全光学、连续调谐的等离子体超表面？
• RQ2 此类系统在调谐过程中能否保持高透射率与窄光谱带宽？
• RQ3 该器件能否通过单一可重构元件支持实际的多光谱热成像？
• RQ4 光学开关在多次循环中的稳定性与可重复性如何？
• RQ5 能否有效利用GST的中间相态实现连续光谱调谐？

主要发现

• 超表面在3–5 μm波段内实现了约74 nm的半高全宽（FWHM）和约70%的峰值透射率。
• 通过单纳秒激光脉冲诱导GST相变，成功实现了在3–5 μm全波段范围内的连续调谐。
• 器件在多次开关循环中保持稳定的光学响应，证实了材料的耐久性与可逆性。
• 通过依次调谐滤波器并在不同波长下捕获图像，成功实现了多光谱热成像。
• 该系统作为光谱无关的全固态滤波器，无任何活动部件，支持紧凑化与低功耗运行。
• 该方法实现了动态、可重构的光谱滤波，适用于高光谱成像与传感应用。