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鈣鈦礦晶體的消色差1/4波片特性

2021-10-09 12:12
來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客
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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。

視頻1:偏振調制實驗(03:28)
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

論文傳送門在此,請進>>>

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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