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天然雙曲材料介紹
2019-12-31 13:21:49
   研究人員發(fā)現(xiàn)了一種具有極端光學(xué)性質(zhì)的自然雙曲材料，稱為平面內(nèi)雙曲。這一發(fā)現(xiàn)很可能使紅外光學(xué)元件變得有被替代的可能。

       雙曲型材料在一定的軸上有較高的反射光，并沿垂直軸反射光線，通常，其中一個(gè)軸在材料平面內(nèi)，另一個(gè)軸在該平面外。同一平面上的雙軸材料可以用來制作光學(xué)元件，如超薄波片，它可以改變?nèi)肷涔獾钠瘛４送?，這種材料的反射特性允許在很小的尺寸范圍內(nèi)操縱和限制光（小于光波波長(zhǎng)的1%）。

       許多晶體表現(xiàn)出雙折射，其中折射率（衡量材料中光速的指標(biāo)）沿不同的軸變化。這種特性可以用來控制入射光的偏振。因此，在電磁頻譜的中遠(yuǎn)紅外波段（波長(zhǎng)范圍3μm-300μm）的晶體厚度通常要求為幾毫米。

       最初認(rèn)為雙曲性僅存在于包含反射和透明區(qū)域的人造材料中。但在2014年，研究人員在天然材料六邊形氮化硼中觀察到了這一特性。材料和Mo 3O 3的反射行為是由晶格振動(dòng)引起的，即光學(xué)聲子以高度各向異性的方式振蕩（取決于方向）。

       今年早些時(shí)候報(bào)道了對(duì)三氧化鉬的初步研究，顯示了長(zhǎng)波紅外光（8μm-14μm）的雙曲性質(zhì)。馬和他的同事已經(jīng)在同一光譜范圍內(nèi)證明并描述了雙曲線性。他們利用這一特性將光限制在比其波長(zhǎng)小得多的尺寸上，方法是與稱為雙曲聲子偏振器（夸張聲子極化子）的材料激發(fā)形成混合光。結(jié)果表明，所制備的極化子的壽命可達(dá)20皮秒，是六角氮化硼的10倍。

       由于三氧化鉬的晶體結(jié)構(gòu)是高度各向異性的，定義單元邊緣的三個(gè)晶體軸的長(zhǎng)度是不同的，因此與這些軸相關(guān)的聲子能量和折射率非常不同，導(dǎo)致雙折射率約為0.31。值得注意的是，今年早些時(shí)候的研究表明，天然物質(zhì)鋇鈦舒肽中存在同樣的大平面內(nèi)雙折射0.76，用于中波到長(zhǎng)波紅外。但是，沒有觀察到這種材料的夸張性。

       控制紅外偏振。該材料可以用厚度僅為幾十微米的三氧化鉬片代替。偏振片中的元素稱為偏振片，它將非偏振光（各個(gè)方向的偏振點(diǎn)）轉(zhuǎn)換為線性偏振光，在紅外波段，由傳統(tǒng)材料制成的偏振器通常需要很厚的金屬柵。這種結(jié)構(gòu)可以用三氧化鉬薄膜代替，而三氧化鉬薄膜并不是制造所必需的，它是一種由傳統(tǒng)材料制成的納米光子結(jié)構(gòu)，可以發(fā)射非偏振紅外光，但是如果使用三氧化鉬，就可以實(shí)現(xiàn)線性極化發(fā)射。

       三氧化鉬的面內(nèi)雙曲線特性為小尺寸光學(xué)元件取代傳統(tǒng)光學(xué)元件成為可能，特別是利用材料（或硫化鋇鈦）的大平面雙折射，紅外波片可以由厚度為幾十微米的薄片組成，這種波片可以在長(zhǎng)波紅外波段工作。對(duì)于這一波段，市面上可買到的波片并不普遍，其厚度超過1毫米。

       此外，利用材料的平面內(nèi)雙曲線性質(zhì)，偏振元件可以由簡(jiǎn)單的1μm厚膜制成，偏振器可以選擇性地允許入射光沿一定方向振動(dòng)通過。

       最后，三氧化鉬等雙曲線材料也可以作為超透鏡的基本材料，它可以產(chǎn)生成像波長(zhǎng)較小的物體的放大圖像，這種材料也可用于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，以制造具有可控性能的納米光子學(xué)器件。

       大自然給予我們的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象，納米光子學(xué)的未來一度被認(rèn)為是通過人工材料來實(shí)現(xiàn)的，但這項(xiàng)研究和過去幾年的其他研究表明，在許多情況下，尋找先進(jìn)材料的最佳途徑是尋找大量的天然材料，這些研究的結(jié)果大大促進(jìn)了紅外光學(xué)和納米光子學(xué)的發(fā)展，或使紅外成像和檢測(cè)與可見光成像一樣常見，使現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作人員能夠“看穿”煙霧、即時(shí)醫(yī)學(xué)診斷和增強(qiáng)化學(xué)光譜。

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