天然双曲材料介绍

天然双曲材料介绍
2019-12-31 13:21:49
   研究人员发现了一种具有极端光学性质的自然双曲材料，称为平面内双曲。这一发现很可能使红外光学元件变得有被替代的可能。

       双曲型材料在一定的轴上有较高的反射光，并沿垂直轴反射光线，通常，其中一个轴在材料平面内，另一个轴在该平面外。同一平面上的双轴材料可以用来制作光学元件，如超薄波片，它可以改变入射光的偏振。此外，这种材料的反射特性允许在很小的尺寸范围内操纵和限制光（小于光波波长的1%）。

       许多晶体表现出双折射，其中折射率（衡量材料中光速的指标）沿不同的轴变化。这种特性可以用来控制入射光的偏振。因此，在电磁频谱的中远红外波段（波长范围3μm-300μm）的晶体厚度通常要求为几毫米。

       最初认为双曲性仅存在于包含反射和透明区域的人造材料中。但在2014年，研究人员在天然材料六边形氮化硼中观察到了这一特性。材料和Mo 3O 3的反射行为是由晶格振动引起的，即光学声子以高度各向异性的方式振荡（取决于方向）。

       今年早些时候报道了对三氧化钼的初步研究，显示了长波红外光（8μm-14μm）的双曲性质。马和他的同事已经在同一光谱范围内证明并描述了双曲线性。他们利用这一特性将光限制在比其波长小得多的尺寸上，方法是与称为双曲声子偏振器（夸张声子极化子）的材料激发形成混合光。结果表明，所制备的极化子的寿命可达20皮秒，是六角氮化硼的10倍。

       由于三氧化钼的晶体结构是高度各向异性的，定义单元边缘的三个晶体轴的长度是不同的，因此与这些轴相关的声子能量和折射率非常不同，导致双折射率约为0.31。值得注意的是，今年早些时候的研究表明，天然物质钡钛舒肽中存在同样的大平面内双折射0.76，用于中波到长波红外。但是，没有观察到这种材料的夸张性。

       控制红外偏振。该材料可以用厚度仅为几十微米的三氧化钼片代替。偏振片中的元素称为偏振片，它将非偏振光（各个方向的偏振点）转换为线性偏振光，在红外波段，由传统材料制成的偏振器通常需要很厚的金属栅。这种结构可以用三氧化钼薄膜代替，而三氧化钼薄膜并不是制造所必需的，它是一种由传统材料制成的纳米光子结构，可以发射非偏振红外光，但是如果使用三氧化钼，就可以实现线性极化发射。

       三氧化钼的面内双曲线特性为小尺寸光学元件取代传统光学元件成为可能，特别是利用材料（或硫化钡钛）的大平面双折射，红外波片可以由厚度为几十微米的薄片组成，这种波片可以在长波红外波段工作。对于这一波段，市面上可买到的波片并不普遍，其厚度超过1毫米。

       此外，利用材料的平面内双曲线性质，偏振元件可以由简单的1μm厚膜制成，偏振器可以选择性地允许入射光沿一定方向振动通过。

       最后，三氧化钼等双曲线材料也可以作为超透镜的基本材料，它可以产生成像波长较小的物体的放大图像，这种材料也可用于异质结构中，以制造具有可控性能的纳米光子学器件。

       大自然给予我们的，远远超出我们的想象，纳米光子学的未来一度被认为是通过人工材料来实现的，但这项研究和过去几年的其他研究表明，在许多情况下，寻找先进材料的最佳途径是寻找大量的天然材料，这些研究的结果大大促进了红外光学和纳米光子学的发展，或使红外成像和检测与可见光成像一样常见，使现场应急工作人员能够“看穿”烟雾、即时医学诊断和增强化学光谱。

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