撰稿 | 陳小梅（北京理工大學 博士）

指導 | 鐘海政（北京理工大學 教授），張用友（北京理工大學 副教授）

說明 | 本文由論文作者（課題組）撰稿

雙折射是光學晶體的基本光學特性之一。當一束光透過雙折射晶體，會分解成尋常光（o光）和非常光（e光）。改變晶體厚度，可以調控兩束光的相位差，制備出具有不同偏振調制特性的1/2波片、1/4波片（相位延遲器）等光學元件，在光通信、顯示和偏振光學等領域具有重要應用價值。

由于折射率的色散特性，基于傳統光學設計方案的波片只能在特定波長工作，不能滿足光學系統集成化的發展。如何制備消色差的波片成為光學領域重要的技術挑戰之一。

制造消色差波片的核心是控制每個波長的相位延遲。消色差1/4波片的制備一般通過多個單軸晶片的黏合，或精確設計的超材料和超表面來實現。

然而，單軸晶片的黏合和超材料的制備都受到加工極限的限制，目前尚沒有在可見光波段實現寬光譜消色差1/4波片的簡單技術路線。

鑒于此，北京理工大學鐘海政教授、張用友副教授、王涌天教授以及兼職教授Greg Scholes教授（普林斯頓大學教授）共同合作，首次報道了基于鈣鈦礦晶體的寬波段消色差1/4玻片，為這一領域的發展開辟了新的研究方向。

圖1：鈣鈦礦晶體可在寬波段實現線偏振到圓偏振的調制

該成果以“Solution-Processed Inorganic Perovskite Crystals as Achromatic Quarter-wave Plates”為題發表在 Nature Photonics。論文的第一作者是北京理工大學材料學院2021屆畢業生陳小梅博士， 2018屆畢業生路文高博士、2019屆畢業生湯加倫博士是論文的共同作者。

Cs?PbBr?是一類具有零維鈣鈦礦結構的新材料，其特殊的綠色熒光特性引起了領域內的廣泛關注。研究人員研究了鈣鈦礦晶體的偏振調制特性，發現了內嵌CsPbBr?納米晶的Cs?PbBr?晶體的消色差1/4波片特性，在532-800 nm寬波段內可實現消色差的偏振調制。

早在2018年2月，研究人員就已經報道了厘米尺寸Cs?PbBr?晶體的制備和發光特性（相關報道>>>）；

2021年7月，研究人員又報道了Cs?PbBr?材料的組分對其發光特性的影響（相關文章>>>），在此基礎上制備了兩種Cs?PbBr?晶體，分別是沒有內嵌CsPbBr?納米晶的無色晶體和含有內嵌CsPbBr?納米晶的綠色晶體，其中無色Cs?PbBr?晶體的生長參考了中山大學黃豐教授報道的水相生長方法（相關文章>>>）。兩種晶體為三方晶系，R3C，單軸晶體。高分辨電鏡的結構分析表明內嵌CsPbBr?納米晶的(112)、(001)、(631)晶面分別與Cs?PbBr?的(100)、(010)、(001)晶面平行，因此所有內嵌CsPbBr?納米晶具有一致的結構取向。

圖2：無色的純Cs?PbBr?晶體和綠色的內嵌CsPbBr?納米晶的Cs?PbBr?晶體的結構示意圖

圖3：綠色晶體的STEM表征

最近，在2021年10月的報道中，研究人員為了研究兩種晶體的偏振調制特性，搭建了如圖4所示的測量裝置。

圖4：偏振調制測試光路示意圖

測試結果表明，入射光垂直于晶體的(024)晶面，在532 nm和633 nm波長激光入射下，無色晶體對線偏振入射光幾乎沒有調制，而綠色晶體可以將入射的線偏振光調制為圓偏振光，所獲得的左旋和右旋圓偏振光的重復周期符合1/4波片規律。實驗中涉及的測試細節及結果示意內容參見視頻。

為了解釋綠色晶體的消色差偏振調制特性，研究團隊采用晶體的雙折射理論對偏振調制的光學過程進行了分析，結果表明內嵌CsPbBr?納米晶對Cs?PbBr?晶體的折射率具有特殊的微調制作用，抵消了Cs?PbBr?晶體折射率色散的影響，是實現消色差偏振調制的主要原因。這一結論，得到了溫度和激光強度依賴的偏振調制實驗的進一步證實。

內嵌CsPbBr?納米晶對Cs?PbBr?晶體的折射率調制特性，為發展人工晶體光學提供了新的思路。通過晶體內部的微觀結構調控，可突破傳統光學材料的限制，發展具有特殊光學特性的新型光學材料，為光學系統的優化設計和集成化提供了新思路。

論文信息：

Chen, X., Lu, Wg., Tang, J. et al. Solution-processed inorganic perovskite crystals as achromatic quarter-wave plates. Nat. Photon. (2021). 

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00865-0

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監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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