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天然雙曲材料三氧化鉬

2022-03-17 20:06:35

在光學設計中,紅外系統的設計與可見光系統的設計大不相同,集中表現在光學材料的選擇上,考慮到透過率和其他光學特性,紅外光學設計往往選擇一些比較特殊的光學材料,比如各種晶體類的材料。許多晶體都具有出雙折射特性,這有利于控制入射光的偏振。在實際應用中,實現偏振控制所需的晶體尺寸與入射光波長和雙折射強度成正比,對于中遠紅外成像系統來說,晶體厚度在毫米量級。
 
最近,科研人員發現了一種天然雙曲材料,該材料具有被稱為面內雙曲性的極端光學性質,這種性質可以有可能使紅外光學元件變得更為小巧。
 
所謂的雙曲材料是一種特殊材料,對沿某一軸的光具有極高的反射率,并沿垂直軸進行光反射,這種兩軸都在同一平面內的材料能夠被用來制造諸如超薄波片等可改變入射光偏振的光學元件。這種材料的反射特性允許光在極小尺寸范圍內被操縱和限制。最初人們雙曲特性只存在于人造材料中,2014年研究人員在天然材料六方氮化硼中觀察到了這種特性。六方氮化硼和三氧化鉬的反射行為均來自于晶格振動,即以高度各向異性方式振蕩的光學聲子,抑制了材料對光的吸收。
 
研究人員對三氧化鉬的研究表明該類材料在長波紅外存在雙曲特性,利用這種特性,通過形成稱為雙曲聲子極化激元的混合光與物質激發,可以將光限制在比其波長小得多的尺寸上,這種極化激元的壽命長達是六方氮化硼最長壽命的10倍。三氧化鉬的晶體結構具有高度各向異性,晶體三個晶體軸的長度均不同,與這些晶體軸關聯的聲子能量和折射率均存在很大差異。研究表明,三氧化鉬等材料可用于精確控制紅外光偏振。
 
圖片
 
圖a中的光學元件為波片,可將線性偏振光轉換為圓偏振光。在紅外波段,傳統材料制成的波片厚度通常超過1mm。若三氧化鉬來代替傳統材料,厚度僅為幾十微米。
三氧化鉬
圖b中的元件為偏振片,可將非偏振光轉換成線性偏振光。在紅外波段,用傳統材料制成的偏振片通常需要很厚并使用大量金屬柵線。如果用三氧化鉬材料,不需要柵線就可以實現相同的功能。
 
圖c為用傳統材料制成的納米級光子結構,可產生非偏振紅外光,替換成三氧化鉬就可以產生線性偏振。
 
除了用于光學元件制作,三氧化鉬的這種特性還可能推動納米光子學的發展,即將光限制在納米級尺度。納米級的光限制必然意味著突破衍射極限,通常情況下光不能被集中到比其波長小得多的尺寸,但三氧化鉬可以突破這一限制,使改進型紅外發射器件成為可能。
 
諸如三氧化鉬等雙曲性材料還可作為超透鏡的基礎材料,超透鏡可對比成像光波長小的物體產生放大圖像。這類材料也可用于異質結構(將不同材料層相結合的結構),以制造具有可控特性的納米光子學元件。
 
現有的研究成果為紅外光學和納米光子學領域貢獻了實質性進展,或能使紅外成像及探測像可見光成像那樣普及,讓透視煙霧、即時醫學診斷、增強化學光譜學等成為可能。

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