WO2010109036A1

WO2010109036A1 - Marca de seguridad óptica que comprende metamateriales con respuesta magnética, procedimiento de autentificación usando la marca y uso de la marca aplicada en un articulo

Info

Publication number: WO2010109036A1
Application number: PCT/ES2010/000125
Authority: WO
Inventors: Alejandro José MARTÍNEZ ABIÉTAR; Carlos GARCÍA MECA; Javier MARTÍ SENDRA
Original assignee: Universidad Politecnica De Valencia
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-09-30
Also published as: EP2413294A4; US20120018509A1; ES2345651A1; ES2345651B2; US8413908B2; EP2413294A1

Abstract

Marca de seguridad óptica aplicable en un objeto, que comprende una estructura de un metamaterial que genera una respuesta magnética (ϝr) a una radiación incidente con una longitud de onda (ϝ) de acuerdo con un código especifico de fórmula ϝr(ϝ) en la que ϝr es la permeabilidad magnética relativa del metamaterial y ϝ es una longitud de onda de la radiación incidente con un valor comprendido entre 15 nm y 1100 nm, o un código especifico de fórmula ϝ (ϝr)..o combinaciones de tales códigos, comprendiendo la marca una primera dimensión transversal bx en una primera extensión transversal del metamaterial y una segunda dimensión transversal by en una segunda extensión transversal del metamaterial, diferente a laprimera dimensión transversal, siendo la primera dimensión transversal y la segunda dimensión transversal cada una al menos igual que la longitud de onda (ϝ...de la radiación incidente.

Description

MARCA DE SEGURIDAD ÓPTICA QUE COMPRENDE METAMATERIALES CON

RESPUESTA MAGNÉTICA, PROCEDIMIENTO DE AUTENTIFICACIÓN USANDO LA

MARCA Y USO DE LA MARCA APLICADA EN UN ARTÍCULO

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra en el campo técnico de los elementos de seguridad que permiten verificar la autenticidad de objetos provistos de tales elementos y, más concretamente, en el sector de los elementos de seguridad óptica basados en estructuras de metamateriales .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Numerosos objetos de nuestra vida diaria incorporan dispositivos de seguridad óptica que confieren autenticidad al objeto. Por ejemplo, los billetes de banco contienen ciertas regiones que cambian de color a la vista al cambiar la posición desde la que los observamos o miramos. Estos dispositivos son generalmente estructuras planares que producen efectos en la luz incidente y que permiten identificar la veracidad de un objeto a simple vista. Sin embargo, pueden ser falsificados mediante el uso de estructuras similares o de otras menos sofisticadas que produzcan una respuesta similar tal que la falsificación no pueda ser identificada como tal a simple vista. Por tanto, un objetivo primordial de los dispositivos de seguridad óptica es que produzcan una respuesta óptica que evite su falsificación. Es decir, se debe crear una estructura cuya respuesta (o firma) óptica no pueda ser sintetizada por otros medios. Existen numerosas técnicas para producir este tipo de marcas de seguridad óptica, como la que, por ejemplo, se describe en la solicitud de patente estadounidense US-A- 20030058491.

Por otro lado, los metamateriales se han convertido en uno de los temas científicos más relevantes en la actualidad. Para entender mejor las propiedades electromagnéticas básicas de los metamateriales consideremos en primer lugar cómo responden los medios naturales ante la radiación electromagnética. Cuando la radiación electromagnética incidente sobre un medio natural (por ejemplo, el cuarzo o el agua) tiene una longitud de onda mucho mayor que el tamaño de los átomos/moléculas (del orden de varios Armstrong) que lo componen, el medio presenta una respuesta efectiva que viene caracterizada por dos magnitudes físicas fundamentales: la permitividad eléctrica ε=ε_rε₀ (ε_r es la permitividad relativa y ε₀ la permitividad del vacio) , que modela la respuesta del medio al campo eléctrico; y la permeabilidad magnética μ=μ_rμ₀ (μ_r es la permeabilidad relativa y μ₀ la permeabilidad del vacio) , que modela la respuesta del medio al campo magnético. A partir de estas magnitudes, las únicas propiedades del medio que aparecen en las ecuaciones de Maxwell, y que pueden ser números complejos, se definen el Índice de refracción del medio como n= (ε_rμ_r)^1/2 y la impedancia del medio como η= (μ/ε)^1/2. En la región de transparencia a frecuencias ópticas (por encima de 100 THz) de los medios dieléctricos, ε_r es un número real positivo mayor que 1 mientras que μ_r = 1 ya que los medios naturales no muestran actividad magnética a frecuencias ópticas. En el caso de los metales, por debajo de la frecuencia de plasma (situada generalmente en el visible o el ultravioleta) , ε_r es un número negativo cuyo módulo crece de forma inversa a la frecuencia, y μ_r = 1.

Partiendo de tales materiales naturales con estas características electromagnéticas, es posible conseguir estructuras con ciertas propiedades o funcionalidades, como por ejemplo, guías de onda para llevar la luz de forma confinada entre dos puntos. Sin embargo, existe una limitación en cuanto a los valores de los parámetros n y η que se pueden conseguir, ya que un material natural no puede ser alterado en cuanto a su naturaleza física para conseguir variar sus propiedades electromagnéticas. Así, en cuanto al diseño de las estructuras, se está limitado a los valores de n y η de los materiales que se pueden obtener de la naturaleza. Por ejemplo, no existen materiales naturales con actividad magnética a frecuencias ópticas (μ_r ≠ 1) . En este sentido, la capacidad de diseño está fuertemente limitada.

Por contra, un metamaterial es un medio artificial formado por meta-átomos de tamaño mucho menor (al menos en la dirección de propagación del campo electromagnético) que la longitud de onda λ de la radiación incidente y cuya respuesta electromagnética depende, no sólo de las propiedades electromagnéticas de los medios que los forman, sino de cómo están estructurados los mencionados meta-átomos. En general, dichos meta-átomos componen una estructura desordenada ó periódica con un cierto periodo a_λ (i=x, y, z) en cada una de las direcciones del espacio, x, y, z. El tamaño de los meta- átomos es mucho mayor que el de un átomo o una molécula natural, siendo asi mismo los periodos a_± mucho mayores que la distancia interatómica en sustancias naturales. Teóricamente, un metamaterial puede diseñarse de tal forma que presente cualquier valor imaginable de la permitividad eléctrica efectiva ε_r y de la permeabilidad magnética μ_r, desde infinito a cero, y valores tanto positivos como negativos. Consecuentemente, podemos obtener también cualquier valor imaginable de los parámetros n y η. Es decir, los metamateriales permiten sintetizar medios electromagnéticos "a la carta".

El origen de los metamateriales se encuentra en un articulo teórico publicado por el físico ruso V. Veselago hace más de 40 años [V. G. Veselago, "The electrodynamics of substances with simultaneously negative valúes of permittivity and permeability, " Sov. Phys . Usp. 10, 509 (1968)]. En este documento, Veselago estudiaba las propiedades inversas de medios electromagnéticos ideales (en el sentido de ser homogéneos, isótropos y sin pérdidas) con la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética simultáneamente negativas, y se llegaba a la conclusión de que si ambas propiedades eran de signo negativo, también debia serlo el Índice de refracción n. Dado que en ese momento no existían materiales naturales o artificiales con estas propiedades (ya se han comentado anteriormente las propiedades electromagnéticas tipicas de los metales y los dieléctricos, las sustancias más tipicas en la naturaleza en cuanto a comportamiento electromagnético) este trabajo permaneció en el olvido durante más de 30 años, hasta que fue rescatado por el científico inglés Sir John Pendry.

La idea era desarrollar materiales artificiales (de ahi la denominación de metamateriales) cuyas respuestas eléctrica y magnética pudiesen ser diseñadas para producir cualquier valor imaginable. Primero, Pendry demostró que una red tridimensional de hilos metálicos tiene una respuesta plasmónica diluida, tal que la frecuencia de plasma (frecuencia a partir de la cual el medio es transparente) depende, no del metal con el que fabriquemos la red, sino de la periodicidad de la misma y del radio de los hilos [J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, and I. Youngs, "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures, " Phys . Rev. Lett. 76, 4773 (1996)]. Poco después, Pendry propuso que dos anillos metálicos cortados concéntricos tienen un comportamiento resonante a cierta frecuencia en la que la permeabilidad magnética efectiva experimenta un cambio muy brusco, llegando incluso a alcanzar valores negativos [J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robins, and W. J. Stewart, "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena, " IEEE Trans . Microwave Theory Technol . 47, 2075 (1999)]. Mezclando ambas estructuras, en 2001 se realizó la primera demostración experimental a frecuencias de microondas del fenómeno de refracción negativa usando un metamaterial con ε_r, μ_r < 0 simultáneamente [R. A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz, "Experimental Verification of a Negative Index of Refraction," Science 292, 77-79 (2002)]. En general, puede decirse que se fabricó el primer metamaterial que presentaba un Índice de refracción n diseñado a la carta e imposible de conseguir con medios naturales.

En el régimen de las microondas los periodos ai es del orden de los centímetros o milímetros. Por las propiedades de escalado de las ecuaciones de Maxwell, cabe pensar que disminuyendo esos periodos ai hasta órdenes de micrómetros o centenas de nanómetros, es posible obtener metamateriales con respuesta "a la carta" a frecuencias ópticas (visible, infrarrojo) . Esto sólo es cierto en parte, ya que los metales usados para construir el metamaterial en el trabajo de Shelby et al. antes mencionado se comportan como conductores perfectos en microondas mientras que a frecuencias ópticas vienen caracterizados por la existencia de plasmones de superficie que complican la realización de metamateriales a tan altas frecuencias. Además, por otras causas, existe una máxima frecuencia a la que se puede conseguir respuesta magnética con los anillos resonantes propuestos por Pendry, debido a la saturación de la respuesta magnética [J. Zhou, TH. Koschny, M. Kafesaki, E. N. Economou, J. B. Pendry and C. M. Soukoulis, "Saturation of the negative magnetic response of split-ring resonators at optical frequencies, " Phys . Rev. Lett. 95, 223902 (2005)]. A todo esto hay que sumar la dificultad de fabricación de meta-átomos de tamaños tan reducidos que requiere de procesos de nanofabricación muy complejos y avanzados. En consecuencia, la realización de metamateriales tridimensionales con respuesta magnética a frecuencias ópticas (infrarrojo cercano y visible, principalmente) es todavía un reto. Hay que destacar que los metamateriales son la única forma de producir actividad magnética (μ_r ≠ 1) a frecuencias ópticas, a las que todos los materiales naturales son inertes al campo magnético.

Sin embargo, diversos experimentos han demostrado la posibilidad de realización de metamateriales planares, es decir, bidimensionales de una o varias capas con respuesta magnética a frecuencias ópticas [T. J. Yen, W. J. Padilla, N. Fang, D. C. Vier, D. R. Smith, J. B. Pendry, D. N. Basov, and X. Zhang, "Terahertz Magnetic Response from Artificial Materials," Science 303, 1494-1496 (2004); V. M. Shalaev, "Optical negative-index metamaterials, " Nat. Photon. 1, 41-48 (2007); S. Zhang, W. Fan, A. Frauenglass, B. Minhas, K. J. Malloy and S. R. J. Brueck, "Demonstration of Mid-Infrared Resonant Magnetic Nanostructures Exhibiting a Negative Permeability, " Phys . Rev. Lett. 94, 037402 (2005)]. Pese a la delgadez en términos de longitudes de onda de dichas capas de metamaterial, se pueden usar algoritmos de extracción de los parámetros ε_r y μ_r, determinados de forma univoca a partir de las medidas de transmisión y reflexión al iluminar la mencionada capa tanto con incidencia normal como oblicua a la misma. Dichos algoritmos están descritos en profundidad en varios articulos: [D. R. Smith, S. Schultz, P. Markos, and C. M. Soukoulis, "Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients, " Phys. Rev. B 65, 195104 (2002); C. Menzel, C. Rockstuhl, T. Paul, F. Lederer, and T. Pertsch "Retrieving effective parameters for metamaterials at oblique incidence", Phys. Rev. B 77, 195328 (2008)]. Utilizando este método, ha sido posible determinar que dichas capas presentan un comportamiento exclusivo de los metamateriales, incluyendo una permeabilidad relativa distinta de 1 a frecuencias ópticas.

En un diseño reciente se ha demostrado de forma teórica la factibilidad de conseguir una respuesta simultánea eléctrica y magnética en el espectro visible usando un metamaterial de plata sin necesidad de uso simultáneo de anillos resonadores cortados y tiras de metal [C. Garcia-Meca, R. Ortuño, R. Salvador, A. Martínez, and J. Marti, "Low-loss single-layer metamaterial with negative index of refraction at visible wavelengths, " Opt. Express 15, 9320-9325 (2007)].

El documento WO-A-2008/110775 describe marcas de seguridad basadas en diferentes estructuras de metamateriales y esencialmente correspondientes a dos tipos de configuraciones: una para refracción y otra para difracción de radiaciones en el rango de los terahercios (longitud de onda 3 mía a 15 μm) o infrarrojo (longitud de onda mayor que 750 nm) . Si bien los metamateriales presentes en estas estructuras proporcionan respuestas en difracción y/o refracción diferentes a las de los medios naturales en dichas configuraciones de difracción y refracción, presentan el inconveniente de que esas respuestas son imitables usando otro tipo de materiales como, por ejemplo, cristales fotónicos (estructuras dieléctricas periódicas) .

El documento WO-A-2006023195 describe metamateriales para uso en dispositivos ópticos tales como lentes, formados a partir de una pluralidad de células unitarias de las que al menos una parte presenta una permeabilidad electromagnética distinta de otras, y dispuestas de tal forma que el material presenta un Índice gradiente, de manera que se produce una variación continua de la permeabilidad que no permite formar un código de seguridad matricial eficaz que requerirla una variación discreta de la permeabilidad.

DESCRIPCIÓN DE IA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objeto una marca de seguridad óptica aplicable en al menos una parte de un objeto, destinada a superar los inconvenientes de las marcas de seguridad del estado de la técnica y que comprende al menos una estructura comprendida por al menos un metamaterial con respuesta magnética en la que la permeabilidad magnética relativa es diferente de 1 (μ_r ≠ 1) a frecuencias ópticas. Dicha respuesta magnética produce una cierta firma espectral cuando al menos una parte del metamaterial se somete a una radiación incidente de una determinada longitud de onda λ, de forma que se define un código especifico asignado a dicho metamaterial y que consiste en el valor de la permeabilidad relativa a esa longitud de onda (codificación o asignación de códigos tipo I) ;

También puede establecerse que el código venga dado por el valor de la longitud de onda λ en la que el metamaterial presenta una determinada permeabilidad magnética relativa μ_r (codificación o asignación de códigos tipo II).

El metamaterial está seleccionado entre metamateriales que generan respuestas magnéticas (μ_r ≠ 1) para al menos una radiación incidente con una longitud de onda (λ) en el espectro ultravioleta a infrarrojo cercano (rango de 15nm a llOOnm) .

En una primera realización de la invención (realización de tipo I) , la marca de seguridad óptica comprende una pluralidad de meta-átomos (unidad básica de un metamaterial) , dispuestos coplanarmente formando una capa de metamaterial . La radiación incidente puede ser perpendicular al plano sobre el que están situados dichos meta-átomos o bien formar un cierto ángulo con el mismo.

La marca de esta realización de tipo I tiene dimensiones transversales (b_x, b_y) en el plano sobre el que se sitúan los meta-átomos, siendo: b_x una primera dimensión transversal en una primera extensión transversal del metamaterial b_y una segunda dimensión transversal en una segunda extensión transversal del metamaterial

Además, la marca puede estar formada por una estructura (metamaterial) periódica o desordenada. En el caso periódico, (b_x, b_y) estarán definidas por las fórmulas b_x = N_xa_x en la que N_x es el número de meta-átomos en la primera extensión transversal y a_x es la periodicidad de los meta-átomos en dicha primera extensión transversal; y

en la que N_y es el número de meta-átomos en la segunda extensión transversal y a_y es la periodicidad de los meta-átomos en dicha segunda extensión transversal.

En la dimensión z correspondiente a la una única dimensión longitudinal, perpendicular a b_x, b_y, en una única extensión longitudinal del metamaterial, la marca según esta realización de la invención comprende una única capa de grosor a_z.

Según la invención, N_x y N_y pueden tener un valor al menos mayor que 3 y preferentemente mayor que 10.

En el caso en que la marca de esta realización de tipo I esté formada por una estructura (metamaterial) desordenada o aperiódica, (b_x, b_y) serán las dimensiones del rectángulo minimo, situado en el plano sobre el que se disponen los meta- átomos, que encierra a todos estos meta-átomos.

En ambos casos (estructura periódica y desordenada) , tanto la primera dimensión transversal mencionada anteriormente como la segunda dimensión transversal son al menos igual que la longitud de onda de la radiación incidente.

En una segunda realización (realización de tipo II) , la pluralidad de meta-átomos puede extenderse en las tres direcciones del espacio. En este caso, la marca tendrá unas dimensiones (b_x, b_y, b_z) , estando b_x, b_y definidas como antes y siendo: b_z una única dimensión longitudinal, perpendicular a b_x, b_y, en una única extensión longitudinal del metamaterial .

Del mismo modo que en la realización de tipo I, la marca puede estar formada por una estructura (metamaterial) periódica, en cuyo caso b_x y b_y estarán definidas igual que antes y b_z estará definida por la fórmula: b_z = N_za_z

en la que N_z es el número de meta-átomos o de capas de metamaterial en la única dirección longitudinal y a_z es la periodicidad de los meta-átomos en dicha dirección longitudinal

La marca de la realización de tipo II también puede estar formada por una estructura (metamaterial) desordenada o aperiódica, en cuyo caso (b_x, b_y, b_z) son las dimensiones del prisma rectangular minimo que encierra a todos los meta-átomos que forman la marca.

En una tercera realización de la invención (realización de tipo III) , la marca de seguridad óptica comprende una matriz lógica bidimensional de L filas y M columnas, donde cada uno de sus elementos es una realización de tipo I o II. La disposición espacial de los elementos de dicha matriz dependerá de la aplicación particular y no tienen por qué estar situados en un mismo plano u ordenados en forma de filas y columnas, a pesar de que de forma lógica los elementos se agrupen en filas y columnas .

Cada realización de tipo I ó II representa un determinado código. Asi, una realización de tipo I ó II por si sola representa un sólo código mientras que la realización de tipo III representa una cantidad de códigos igual al número de elementos de la matriz. La asignación del código que representa cada realización de tipo I ó II se podrá hacer de dos maneras distintas como hemos mencionado anteriormente. En la primera forma (asignación de códigos de tipo I) , el valor de la permeabilidad de cada elemento (l,m) de la matriz está unívocamente relacionado con el valor del código de dicho elemento según la fórmula μ_ri,_m(λ), en la que l≤l≤L y l≤m≤M, y en la que

1 es un número natural comprendido entre I y L,

L es el número de filas de la matriz lógica en base a la que se ordenan los elementos de dimensiones b_x(l,m)y b_y(l,m) que conforman la marca. m es un número natural comprendido entre I y M, y

M es el número de columnas de la matriz lógica en base a la que se ordenan los elementos de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m)que conforman la marca.

En la segunda forma de asignación de códigos (asignación de códigos de tipo II), el código correspondiente a cada realización de tipo I ó II se determina unívocamente a partir de la longitud de onda a la que dicha realización genera un cierto valor de μ_r, perteneciente a un determinado rango de valores esperado, en lugar de por el valor concreto de μ_r a una determinada longitud de onda. Así, el código vendrá dado por la fórmula λi,_m(μ_r).

Por tanto una marca representa uno o varios códigos especificos que corresponden a la fórmula μ_r(λ) o λ(μ_r) en la que μ_r es la permeabilidad magnética relativa de cada estructura de tipo I ó II que forma la marca y λ es la longitud de onda de la radiación incidente con un valor comprendido entre 15nm y HOOnm;

Por último, se podrán combinar las dos formas de asignación de códigos anteriores para crear códigos más complejos o tecnológicamente más convenientes.

En una realización de tipo III, tanto los tamaños b_x, b_y y b_z, asi como el número de meta-átomos N_x, N_y y N_z (y las periodicidades a_x, a_y y t en el caso periódico) , podrán ser distintos para cada elemento de la matriz si fuera necesario.

La marca de seguridad óptica según la invención también puede estar diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética sólo a al menos una longitud de onda (λ) en el espectro infrarrojo cercano (es decir en el intervalo de 0,78 micrómetros a 1,1 micrómetros de la radiación incidente), sólo a al menos una longitud de onda de la luz visible (intervalo de 0,38 micrómetros a 0,78 micrómetros de la radiación incidente) , o para dar sólo una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda en el espectro ultravioleta (intervalo de 15 nanómetros a 380 nanómetros de la radiación incidente) .

También de acuerdo con la invención, al menos una parte de los meta-átomos está compuesta de al menos un material metal (oro, plata, aluminio, etc.) o un material dieléctrico. Al menos una parte de los meta-átomos puede estar comprendida por meta-átomos de plata u otro metal noble como, por ejemplo, por meta-átomos como del tipo de los que se describen en el articulo de C. García Meca et al. más arriba identificado en la presente memoria descriptiva.

A la vista de lo anterior, la presente invención se refiere a una marca de seguridad óptica formada por una o varias estructuras cuya respuesta electromagnética a la luz incidente permite verificar la autenticidad del objeto en el cual se inserte dicho elemento. Las estructuras que forman la marca consisten en metamateriales diseñados y fabricados para presentar una respuesta magnética que no puede ser producida mediante medios naturales. En concreto, las mencionadas estructuras metamateriales presentarán una permeabilidad magnética efectiva distinta de 1 a frecuencias ópticas. El valor de la permeabilidad magnética o la frecuencia a la que tiene lugar, que se puede obtener a partir de los espectros de transmisión/reflexión (o firmas espectrales) de la marca constituyen un código identificador del material. De esa forma, el único camino para producir la respuesta deseada (firma espectral) es conseguir esa actividad magnética (código) , por lo que no se podría mimetizar o falsificar la respuesta mediante el uso de otras estructuras alternativas, confiriendo un alto grado de protección al objeto sobre el que se aplique la estructura.

La marca de seguridad óptica según la presente invención es prácticamente imposible de falsificar ya que la respuesta magnética o firma espectral que proporciona a una iluminación, es única y sólo puede imitarse con otra estructura de metamaterial, pero no con un medio natural. Si dicha firma espectral se produce a frecuencias muy altas (longitud de onda λ muy pequeña, con λ=c/f, siendo c la velocidad de la luz en el vacio y f la frecuencia) , para producir tal firma espectral es necesario un metamaterial con periodos ai mucho menores que λ(al menos en la dirección de incidencia de la radiación) . Asi, por ejemplo, para que un metamaterial con actividad magnética en λ=600 nm tenga un comportamiento efectivo, es necesario que su periodo en la dirección de incidencia, sea como mucho λ/3, es decir, menor que 200 nm. Además, para conseguir actividad magnética a tan alta frecuencia los detalles mínimos del metamaterial deben ser aún más pequeños. Por tanto, hay que fabricar un meta-átomo con una cierta configuración fisica, de un tamaño menor a estos 200 nm, lo que es complicado de lograr incluso con las herramientas de nano-fabricación actuales. Más aún, si queremos fabricar metamateriales mediante procesos que permitan manufacturación en volúmenes. Esta característica es muy importante en la técnica de seguridad óptica propuesta en este documento. A la vista de que para fabricar tal metamaterial son necesarias las herramientas tecnológicas más avanzadas, no se podrá imitar la firma espectral usando unos medios tecnológicos menos avanzados, lo que contribuye a evitar la falsificación.

La presente invención también tiene por objeto un procedimiento para autentificar una marca de seguridad como la que se define más arriba en la presente invención, que comprende someter a al menos parte de la marca de seguridad a una radiación incidente con al menos una longitud de onda o rango de longitudes de onda (λ) , con valores comprendidos entre 15nm y HOOnm; determinar la permeabilidad magnética relativa (μ_r) de la marca de seguridad en respuesta a dicha radiación incidente a la longitud o longitudes de onda necesarias para obtener el valor del código correspondiente a dicha permeabilidad (código medido) según la fórmula μ_r(λ) en el caso de asignación de códigos de tipo I ó λ(μ_r) en el caso de asignación de códigos de tipo II. Obtener el denominado código medido con esta información; comparar dicho código medido con un cierto código especifico de autentificación conocido (código esperado). descartar la autenticidad de la marca de seguridad cuando el valor del código medido en respuesta a dicha radiación incidente no coincide con el código esperado ; aceptar la autenticidad de la marca de seguridad cuando el valor del código medido en respuesta a dicha radiación incidente coincide con el código esperado.

En el caso de que la marca sea una realización de tipo III, será necesario realizar los pasos anteriores para cada una de las realizaciones de tipo I y/o tipo II que compongan la marca. La interpretación del grado de autenticidad de la marca en función del número de códigos medidos que coincidan con su correspondiente código esperado dependerá de la aplicación concreta.

La extracción de la permeabilidad puede realizarse conforme a métodos en si conocidos, como por ejemplo los descritos en los documentos relevantes del estado de la técnica más arriba identificados.

Finalmente, la presente invención también se refiere al uso de una marca de seguridad como la que se define más arriba en la presente memoria descriptiva como marca de seguridad aplicada en un articulo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

A continuación se describen aspectos y realizaciones de la invención sobre la base de unos dibujos, entre los que la figura 1 es una vista esquemática explicativa de los parámetros a tener en cuenta cuando una marca de seguridad óptica formada por un medio natural se expone a una iluminación; la figura 2 es una vista esquemática de una realización de tipo I de una marca de seguridad conforme a la presente invención, para los casos de incidencia normal [figura 2 (a) ] e incidencia oblicua [figura 2 (b) ] con un cierto ángulo φ respecto a la normal al plano sobre el que se sitúan los meta- átomos; la figura 3 es una vista esquemática de una realización de tipo II de una marca de seguridad conforme a la presente invención consistente en varias capas apiladas de las realizaciones I o II; la figura 4 es una vista esquemática de una matriz de marcas de seguridad (realización de tipo III) que puede conformarse con un conjunto de marcas correspondientes a realizaciones de tipo I ó II como las que se ilustran en las figuras 2 y 3. En este caso se utiliza una asignación de códigos de tipo I; Ia figura 5 es una vista esquemática de una matriz de marcas de seguridad (realización de tipo II) que puede conformarse con un conjunto de marcas correspondientes a realizaciones de tipo I ó II como las que se ilustran en las figuras 2 y 3. En este caso se utiliza una asignación de códigos de tipo II. la figura 6 es una vista esquemática de una marca de metamaterial conformada de acuerdo con la marca de la figura 2; la figura 7 es un gráfico que muestra el valor absoluto de la firma espectral (transmisión T y reflexión R) que se obtiene al iluminar la capa de metamaterial ilustrada en la figura 5 con luz blanca en incidencia normal; la figura 8 es un gráfico que muestra los parámetros μ_r(λ) y ε_r(λ) extraídos de la firma espectral cuyo valor absoluto se muestra en la figura 7.

En estas figuras aparecen unas leyendas alfanuméricas

1 medio natural

2 estructura planar en forma de capa de un medio metamaterial

2Ml, 2M2 ... 2Mz capas de metamaterial

3 meta-átomo

4 luz incidente

5 luz transmitida

6 luz reflejada a_x periodicidad de los meta-átomos 3 en la primera extensión transversal a_y periodicidad de los meta-átomos 3 en la segunda extensión transversal a_z periodicidad de los meta-átomos 3 en la extensión vertical (grosor del metamaterial ) b_x primera dimensión transversal en una primera extensión transversal de la capa 2 de metamaterial b_y segunda dimensión transversal en una segunda extensión transversal de la capa 2 de metamaterial b_z extensión vertical (grosor del metamaterial )

I luz incidente (I)

1 número natural comprendido entre I y L,

L número de filas de la matriz cuyos elementos, de dimensiones b_x(l,m) b_y(l,m), conforman la marca. m número natural comprendido entre I y M

M número de columnas de la matriz cuyos elementos, de dimensiones b_x(l,m) b_y(l,m), conforman la marca. N_x número de meta-átomos 3 en la primera extensión transversal N_y número de meta-átomos 3 en la segunda extensión transversal N_z número de capas 2 de meta-átomos 3 apilados en la extensión vertical del metamaterial R reflexión de la luz incidente t grosor del medio natural

T transmisión de la luz incidente ε_r permitividad eléctrica, μ_r permeabilidad magnética, λ longitud de onda de la luz incidente φ ángulo que forma la radiación incidente con el plano sobre el que se sitúan los meta- átomos de una cierta realización. MODOS DE REALIZAR IA INVENCIÓN

En la figura 1 se muestra esquemáticamente el caso particular de un medio natural (1) que se supone infinito en sus dimensiones transversales, de grosor t, permitividad eléctrica ε_r, y permeabilidad magnética μ_r, que es iluminado con una luz (I) de longitud de onda λ . Para simplificar, se asume incidencia normal y que no hay pérdidas (ε_r, μ_r son reales) . Las respuestas en transmisión (T) y en reflexión (R) dependerán de la longitud de onda λ de la radiación incidente (I) en el espectro infrarrojo, visible o ultravioleta, el grosor del medio t, la permitividad eléctrica ε_r, y de la permeabilidad magnética μ_r. A partir de dichas respuestas podremos extraer los parámetros ε_r y μ_r de forma univoca. Si μ_r = 1 (como lo es siempre en el caso de un medio natural a frecuencias ópticas) las respuestas T y R (firma espectral del medio natural) pueden conseguirse de varias formas cuando se usan medios naturales (por ejemplo apilando capas de grosores mucho menores que la longitud de onda y con diferentes permitividades se puede conseguir cualquier permitividad efectiva) . Por tanto, la firma espectral es falsificable cuando se usa un medio natural.

La figura 2 muestra esquemáticamente una estructura planar (2) en forma de capa de un medio metamaterial conforme a una realización de tipo I de la marca contemplada en la presente invención, en su versión periódica. La figura 2 (a) representa el caso de incidencia normal al plano sobre el que se sitúan los meta-átomos y la figura 2 (b) representa el caso de incidencia oblicua. Esta estructura tiene un grosor a_z y está compuesta por una distribución periódica e infinita de meta- átomos (3) con periodos a_x y a_y en las respectivas dimensiones transversales (b_x, b_y) de la capa (2) de metamaterial a la incidencia de la radiación incidente (I) en el espectro infrarrojo cercano, visible o ultravioleta. De esta manera, dichas dimensiones transversales (b_x, b_y) del metamaterial (2) quedan definidas respectivamente por las fórmulas b_x = N_xa_x en la que b_x es una primera dimensión transversal en una primera extensión transversal de la capa (2) de metamaterial, N_x es el número de meta-átomos (3) en dicha primera extensión transversal y a_x es la periodicidad de los meta-átomos (3) en dicha primera extensión transversal; y b_y = N_yaγ en la que b_y es una segunda dimensión transversal en una segunda extensión transversal de la capa (2) de metamaterial, N_y es el número de meta-átomos (3) en dicha segunda extensión transversal y a_y es la periodicidad de los meta-átomos (3) en dicha segunda extensión transversal.

Cuando la estructura se ilumina con una determinada incidencia (I), se produce una señal transmitida (T) y otra reflejada (R), que dan la firma espectral. La composición de los meta-átomos (3) (de volumen a_xa_ya_z) puede ser cualquiera con tal que la respuesta de la capa de metamaterial (2) proporcione una cierta respuesta eléctrica y magnética efectiva (firma espectral) a la longitud de onda λ de la radiación incidente

(1) . En las dimensiones transversales (b_x, b_y) se deben incluir un número mínimo (N_x, N_y) de meta-átomos (3) que aseguren una respuesta efectiva de la capa (2) de metamaterial. Es decir, b_x=N_xa_x y b_y=N_ya_y deben ser al menos iguales a λ. A partir de las respuestas T y R podemos obtener por extracción inversa la permitividad eléctrica ε_r y la permeabilidad magnética μ_r, de forma univoca. Dado que, incluso usando materiales naturales es posible obtener múltiples valores tanto positivos (materiales dieléctricos) como negativos (metales) para la permitividad eléctrica ε_r, el parámetro que produce una firma espectral particular a una determinada longitud de onda es la permeabilidad magnética relativa μ_r. Luego, se asigna a la capa

(2) de metamaterial de tamaño b_xb_ya_z (figura 2) en forma de bloque, un código identificador (fingerprint) μ_r(λ). Si μ_r es distinto de 1, sólo es posible conseguir la dupla [T, R] que se produce usando un metamaterial adecuado.

La figura 3 muestra una realización de tipo II de la invención, en su versión periódica, con la que se consigue la firma espectral μ_r(λ) mediante la apilación de una pluralidad de capas (2Ml, 2M2 ... 2Mz) idénticas de metamaterial, cada una de una dimensión vertical a_z correspondiente al grosor de la capa. En este caso la estructura de seguridad óptica se compone de N_xN_yN_z meta-átomos (3) , y la estructura multicapa (4) compuesta por las capas Ml, M2 ... Mz del metamaterial (2) tiene una dimensión vertical correspondiente a la fórmula: b_z = N_z a_z en la que N_z es el número de capas (2) de meta-átomos (3) apilados en la extensión vertical del metamaterial y a_z es la dimensión vertical correspondiente al grosor de cada uno de los meta-átomos (3) apilados en dirección vertical.

Para alcanzar un mayor grado de protección sé^* puede construir una matriz (5) de estructuras de metamateriales de MxL elementos como los expuestos en la figura 2 y/o 3, de forma que den lugar a un código matricial, es decir, una matriz de elementos numéricos, cada uno con un código μ_ri,_m(λ) ó λi,_m(μ_r), donde l≤l≤L y l≤m≤M, siendo

1 es un número natural comprendido entre I y L,

L es el número de filas de la matriz cuyos elementos, de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m), conforman la marca, m es un número natural comprendido entre I y M, y

M es el número de columnas de la matriz cuyos elementos, de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m), conforman la marca, tal y como se propone en las figuras 4 y 5. Las condiciones de iluminación y generación de las señales de transmisión y reflexión serian análogas a las mostradas en las figuras 2 y 3.

En la figura 6 se muestra esquemáticamente una realización de la invención, en la que el meta-átomo (3) por cuya repetición periódica se forma el metamaterial (en las figuras 2 y 3 se muestran 3x3 meta-átomos, es decir N_x=N_y=3) , es un paralelepípedo de plata de dimensiones a_x = 250nm, a_y = 322nm, d_x = 30nm, d_y = 212nm, C_x = 220nm y C_y=t = HOnm

Al iluminar con luz blanca en incidencia normal la capa de metamaterial de la figura 6, se obtiene una firma espectral (transmisión T y reflexión R) cuyo valor absoluto se muestra en la figura 7. En la figura 8 se muestran los parámetros μ_r(λ) y ε_r(λ) extraídos de la firma espectral cuyo^ valor absoluto se muestra en la figura 7. El código especifico que produce el metamaterial es el valor de μ_r a una determinada longitud de onda λ o el valor de λ al que ocurre una cierta μ_r, que no puede ser reproducido por otros medios, confiriendo la propiedad de seguridad óptica a la capa de metamaterial.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Una marca de seguridad óptica aplicable en al menos una parte de un objeto, que comprende al menos una estructura comprendida por al menos un metamaterial compuesto por una pluralidad de meta-átomos que forman una estructura, y que tiene dimensiones transversales en el plano sobre el que se sitúan los meta-átomos, definidas por la fórmula

en la que: b_x una primera dimensión transversal en una primera extensión transversal del metamaterial b_y una segunda dimensión transversal en una segunda extensión transversal del metamaterial, diferente a la primera dimensión transversal, caracterizada porque el metamaterial está seleccionado entre metamateriales que generan respuestas magnéticas con una permeabilidad magnética relativa (μ_r) diferente de 1 a al menos una radiación incidente (I) seleccionada entre radiación incidente con incidencia normal o con incidencia oblicua y con al menos una longitud de onda (λ) en el espectro ultravioleta a infrarrojo cercano en el rango de 0,15 micrómetros a 1,1 micrómetros, dicha respuesta magnética produce una firma espectral cuando al menos una parte del metamaterial se somete a dicha radiación incidente (I) de la mencionada longitud de onda o a longitudes de onda pertenecientes a un mismo rango, de forma que dicha firma espectral corresponde a, al menos, un código especifico asignado a dicho metamaterial, siendo dicho código especifico: el valor de la permeabilidad magnética relativa a la longitud de onda (λ) de la radiación incidente (I) de acuerdo con la fórmula μ_r(λ) en la que μ_r es la permeabilidad magnética relativa y(λ)es la longitud de onda de la radiación incidente, ó el valor de la longitud de onda (λ) en la que el metamaterial presenta una determinada permeabilidad magnética relativa (μ_r) de acuerdo con la fórmula

en la que λ y μ_r tienen los significados más arriba indicados, y combinaciones de al menos un código especifico de permeabilidad y al menos un código especifico de longitud de onda (λ), y porque dicha primera dimensión transversal y dicha segunda dimensión transversal son cada una al menos igual que la longitud de onda (λ) de la radiación incidente.

2.- Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 1, caracterizada porque al menos parte de los meta-átomos forma una estructura periódica y porque las dimensiones de dicha estructura están definidas por las fórmulas b_x = N_xa_x en la que N_x es el número de meta-átomos en la primera extensión transversal y a_x es la periodicidad de los meta-átomos en dicha primera extensión transversal; y

3.- Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 1 caracterizada porque al menos parte de los meta-átomos forma una estructura aperiódica contenida en un rectángulo mínimo con dichas dimensiones transversales (b_x, b_y) , situado en el plano sobre el que se disponen los meta-átomos, que encierra a dicha parte de los meta-átomos.

4.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en la que la pluralidad de meta- átomos presenta dimensiones b_x, b_y, b_z en la que b_x, b_y son dichas dimensiones transversales, y b_z es una dimensión vertical perpendicular a dichas extensiones transversales (b_x, b_y) correspondiente al grosor de dicha pluralidad de meta-átomos.

5.- Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 4, caracterizada porque en la marca al menos parte de los meta- átomos forma una estructura periódica, en la que dicha dimensión vertical está definida por la fórmula: b_z = N_za_z en la que N_z es un número seleccionado entre el número de meta- átomos en la dimensión vertical y el número de capas que forman el metamaterial y a_z es la periodicidad de los meta-átomos en dicha dimensión vertical.

6.- Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 4, caracterizada porque en la marca al menos parte de los meta- átomos forma una estructura aperiódica, en la que dichas dimensiones transversales y dicha dimensión vertical (b_x, b_y, b_z) definen un prisma rectangular mínimo que encierra a todos los meta-átomos que forman dicha parte de la marca.

7. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque el número de meta- átomos (N_x) en dicha primera extensión transversal y el número de meta-átomos en dicha segunda extensión transversal (N_y) tienen cada uno un valor al menos mayor que 3, preferentemente mayor que 10.

8.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque comprende una pluralidad de estructuras de meta-átomos de las que cada una tiene un código especifico y que están ordenadas lógicamente en forma de matriz con un número de filas (L) y un número de columnas M, de forma que cada una de las mencionadas estructuras es un elemento de dicha matriz, estando el elemento perteneciente a la fila 1 y a la columna (m) identificado por la dupla (l,m) , de manera que cada fila tiene un número M de elementos, pudiendo tener la última fila de la matriz un número de elementos inferior a M de forma que el número total de estructuras de la matriz pueda tomar cualquier valor natural, y cada estructura o elemento (l,m) tiene un valor μ_ri,_m(λ) de permeabilidad magnética relativa.

9. Una marca de seguridad según la reivindicación 8, caracterizada porque los valores μ_ri,_m de permeabilidad magnética de las estructuras de meta-átomos definen un código matricial, seleccionado entre: al menos un código matricial de permeabilidad magnética relativa en que el valor μ_ri,_m de permeabilidad magnética relativa de cada elemento de la matriz está univocamente relacionado con el valor del código de dicho elemento según la fórmula

H_rI,_m(λ) en la que l≤l≤L y l≤m≤M,

1 es un número natural comprendido entre I y L, L es el número de filas de la matriz cuyos elementos son las estructuras de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m), m es un número natural comprendido entre 1 y M, y M es el número de columnas de la matriz cuyos elementos son las estructuras de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m); al menos un código matricial de longitud de onda determinado univocamente a partir de la longitud de onda a la que cada elemento de la matriz (5) genera un determinado valor de permeabilidad magnética relativa μ_ri,_mf perteneciente a un determinado rango de valores esperado, en lugar de por el valor concreto de la permeabilidad magnética relativa μ_ri,_m a una determinada longitud de onda, estando definido dicho código especifico conjunto por la fórmula

en la que λ, 1, m y μ_r tienen los significados antes definidos; y al menos un código matricial combinado basado en una combinación de un código especifico conjunto de permeabilidad magnética relativa y un código especifico conjunto de longitud de onda .

10.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizada porque en la matriz (5), al menos una de las dimensiones (b_x, b_y, b_z) de al menos una estructura es distinta a la de otras estructuras.

11. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizada porque en la matriz (5) , al menos una estructura comprende un número de meta-átomos (N_x, N_y, N₂) distinto al de otras estructuras.

12.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizada porque, en la matriz (5) , la periodicidad (a_x, a_y, a_z) de los meta-átomos de al menos una estructura es distinta a la de otras estructuras.

13.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda (λ) en el espectro de 0,78 micrómetros a 1,1 micrómetros de la radiación incidente.

14.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda (λ) en el espectro de 0,38 micrómetros a 0,78 micrómetros de la radiación incidente.

15.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda de 15 nanómetros a 380 nanómetros de la radiación incidente.

16.- Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos una parte de las estructuras de meta-átomos está comprendida por al menos un metamaterial seleccionado entre meta-átomos de metales, meta-átomos de materiales dieléctricos y combinaciones de tales meta-átomos.

17. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos una parte de de las estructuras de meta-átomos está comprendida por meta-átomos de un metal noble.

18. Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 17, caracterizada porque el metal noble es plata.

19. Un procedimiento de autentificación de la marca de seguridad definida en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende someter a al menos parte de la marca de seguridad a una radiación incidente con al menos una longitud de onda o rango de longitudes de onda (λ) , con valores comprendidos entre 150nm y HOOnm; determinar la permeabilidad magnética relativa (μ_r) de la marca de seguridad en respuesta a dicha radiación incidente a la longitud o longitudes de onda necesarias para obtener el valor de al menos un código medido seleccionado entre un código medido de permeabilidad magnética correspondiente a al menos un valor de la permeabilidad magnética relativa a la longitud de onda (λ) de la radiación incidente (I) de acuerdo a la fórmula μ_r(λ)en la que λ y μ_r tienen los significados más arriba indicados, y un código medido de longitud de onda correspondiente a la permeabilidad magnética relativa (μ_r) resultante de cuando la marca se somete a la radiación incidente con una longitud de onda (λ) de acuerdo a la fórmula λ(μ_r) en la que λy μ_r tienen los significados más arriba indicados, comparar dicho código medido con al menos un código especifico asignado a la marca de seguridad descartar la autenticidad de la marca de seguridad cuando el valor del código medido en respuesta a dicha radiación incidente no coincide con el código esperado; aceptar la autenticidad de la marca de seguridad cuando el valor del código medido en respuesta a dicha radiación incidente coincide con el código esperado.

20. Procedimiento de autentificación según la reivindicación 19, caracterizado porque se realiza para cada estructura de metamaterial de la que se compone la marca de seguridad.

21. Uso de una marca de seguridad como la que se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque la marca de seguridad se aplica en un articulo.