Bankbiljetten en creditcards kunnen binnenkort worden voorzien van verbeterde hologrammen tegen valsemunterij dankzij een 'fotonenzeef' die is ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers en medewerkers.

Hologrammen bevatten complexe, driedimensionale beeldinformatie waardoor ze moeilijk, maar niet onmogelijk, te vervalsen zijn. Een manier om hun beveiliging te verbeteren, is door geavanceerde apparaten te gebruiken die de holografische resolutie verbeteren. Nanofotonische apparaten gebruiken arrays van lichtverstrooiende pixels op nanoschaal die extra informatielagen coderen door middel van optische interacties in het 'nabije-veld' tussen lasers en de pixels.

Onlangs, onderzoekers hebben gaten op nanoschaal uitgehouwen in dunne metalen platen als effectieve lichtverstrooiende pixels. Verrassend genoeg, wanneer deze nanogaten willekeurig zijn gerangschikt, in plaats van periodiek, het gegenereerde hologram wordt uniformer. Apparaten ontwerpen met willekeurig gerangschikte componenten, echter, is technisch uitdagend, omdat parameters zoals de straal en de afstand van het nanogat kunnen variëren over een groot aantal waarden.

Om deze obstakels te overwinnen, Jinghua Teng van het A * STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's bedachten een theoretische methode die het complexe afgebogen veld van een enkel nanogat deconstrueert in eenvoudige analytische uitdrukkingen die precies kunnen worden opgelost. Door de oplossingen over elkaar heen te leggen, ze kunnen lokaal berekenen, gespecificeerde elektrische velden in plaats van aanzienlijke rekenkracht te besteden aan het numeriek simuleren van de gehele nanofotonische array.

De onderzoekers wendden zich tot genetische algoritmen om de gaten in een fotonenzeef op een efficiënte manier te rangschikken. Door herhaaldelijk te koppelen, kruispunt, en het muteren van 'chromosomen' die verschillende 'genen' bevatten - labels van verschillende nanogatgroottes en -posities - er ontstaat een aperiodisch patroon dat de holografische lichtregeling optimaliseert op basis van de vereenvoudigde elektrische veldberekeningen.

Volgende, het team gebruikte elektronenstraallithografie om hun ontwerp om te zetten in een praktisch apparaat door meer dan 34 te etsen, 000 aperiodieke nanogaatjes in een dunne chroomfilm (zie afbeelding). Het resulterende prototype verhoogde de diffractie-efficiëntie met bijna 50 procent in vergelijking met conventionele nanofotonische apparaten met een honderden keren betere beeldresolutie. Ook veelvoorkomende holografische fouten of 'artefacten' zoals tweelingbeelden werden door deze techniek geëlimineerd.

"De holografische afbeeldingen van hoge kwaliteit zijn veelbelovend voor toepassingen zoals anti-namaak, optische codering en draagbaar informatie-identificatiesysteem, " zegt Teng. "Bijvoorbeeld, het zou kunnen worden gebruikt in de strijd tegen vervalsing van bankbiljetten, met zijn ultracompacte formaat, hoge kwaliteit, en zelfs hologrammen op meerdere niveaus."

De onderzoekers demonstreerden een andere toepassing van hun aanpak door een 'superfocusing'-systeem te ontwerpen dat objecten kan oplossen die kleiner zijn dan de golflengte van licht. Met de nanogaten gerangschikt in concentrische ringen, de fotonenzeeflens focust het licht tot op plekken van slechts 200 nanometer breed - schalen die nuttig zijn voor biologische beeldvorming en optische manipulaties.