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物理学家预言特定光学复合材料的存在
发布时间:2017-05-31 09:22:14 阅读:1661

来源:phys.org;中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

方解石(冰洲石)中的双折射。
来源:莫斯科物理技术学院(MIPT)新闻办公室

    莫斯科物理技术学院(MIPT)的物理学家预言,具有特殊光学性质的透明复合介质的确存在。通过基于图像卡的模拟,科学家们研究了两个具有相近参数电介质的常规体积结构,他们发现这些结构中的光学特质,从自然晶体到人工周期复合材料,都完全不同,这极大的吸引了他们的兴趣。

    理论研究由纳米光学和等离子实验室的资深研究员Alexey Shcherbakov与研究生Andrey Ushkov负责开展。研究的重点就是针对模拟形成的特定复合介质,因为这些介质可以产生双折射效应——当光线照射介质时,原始光在其内部一分为二。最近一期《光学快报》(Optics Express)发表了他们的研究成果,物理学家们预测了新型复合晶体结构的存在,相较于普通自然晶体,其内部产生的双折射效应完全不同。

    双折射材料中光线一分为二源于对晶体特质的依赖,它同时也决定了光波传输方向与光波偏振。光波偏振是光波中电磁场振荡的方向;普通光线则是各种光波偏振随机混乱的组合。

    为了了解偏振,我们可以想像一根绳子,它一头系在墙上, 另一头悬空。如果有人拉动这根绳子,并周期性的摆动这根绳子,就会出现波形。绳子悬空的一头要么呈水平方向摆动,要么呈垂直方向摆动,因此整根绳子也会呈水平或垂直方向摆动,这就形成了绳子的两个不同偏振波。

    当光线在双折射晶体中传播时,一些单偏振光向一个方向折射,而另外一些则向其他方向折射。基于此特性,研究人员便可以使用晶体将偏振光进行部分或全部的过滤,其过滤程度主要取决于初始入射光线的偏振状态。历史上北欧维京人可能就曾经采用过这样方法,运用冰洲石来判断阴天时太阳的位置。现在,双折射晶体在激光技术中已经广泛应用。

立体晶体的等频率表面,总存在七条光轴。选取光轴标度用以标明等频率表面两部分之间的区别。事实上,对于大多数晶体,两者表面的大部分都呈球面,几乎无法区分。
来源:莫斯科物理技术学院(MIPT)新闻办公室

    双折射理论涉及光轴与等频率表面的概念。光轴是指晶体中还没有一分为二的入射波方向。例如,冰洲石具有单一光轴,而食盐晶体则没有光轴,因为它不具备双折射。有些物质具有双光轴,例如芒硝,其基本成分广泛应用于玻璃产业和清洁剂制造。在传统的晶体光学中,不包括磁效应和旋光效应(与偏振旋转相关),所有晶体可分为以下三类:各向同性晶体、单光轴各向异性晶体与双光轴各向异性晶体。

    第二个概念是等频率表面,它描绘了在晶体内空间方向对于光线速度的依赖。等频率表面的绘制使起于坐标系原点到曲面点的矢量长度与真空中光速与晶体矢量所标方向光速的比率相等。各向同性晶体的等频率表面呈球状,其半径与晶体折射率相同,因为光线入射各向同性晶体时,在任何一个方向,速度都相等。透明材料的折射率总是高于结合体材料。

    对于双折射介质,等频率表面形状不仅与球形不同,甚至其表面自身看起来就像是由两部分组成,一个内层与一个外层组合而成。这两部分也展示了  两个不同的光偏振在各个方向中晶体内光线的入射速度如何慢于真空中的速度。表面各部分相交的点标明了光轴和光速不取决于偏振的方向。下图展示的就是食盐、冰洲石以及芒硝的等频率表面。

    超越了传统晶体光学中那些常常教授给物理学生的最基本知识,我们可以看到,即便只有简单立方晶格的晶体,例如食盐,都具有光学各向异性,也就是说,光线在那里的传播方向各异、千差万别。举个简单例子,早在20世纪早期,Hendrik Lorentz就曾描述过这种各向异性。在此类晶体中可以找到7条光轴。20世纪晚期,科学家们在研究中采用激光,又进一步的证实了这一现象。但是等频率表面的两部分仿佛无法区分(相对区别顺序为10-5-10-6),因此这样的各向异性在实际运用中几乎就消失了。所以在现代科技中,其应用仅在现代微电子制造业,采用超高清光学投影配件进行深层紫外纳米光刻时才加以考虑。

    除了像双折射冰洲石这样的天然晶体之外,科学家们也采用人工材料来操控晶体结构。在过去20年中,在微密和纳米加工领域取得的先进成果不断推进了人工材料在光学研究中的进步与发展,其中包括超材料和光子晶体。

    在这些新型材料中,常规的原子或分子排列被另外的几何模型所取代。这种模型很类似于一个木质首饰盒的装饰图样,但是三维立体的,规模从几十纳米到几百微米不等。

透明晶体复合介质具有不同寻常的各向异性特质
来源:莫斯科物理技术学院(MIPT)新闻办公室

    人工常规结构,例如光学晶体和超材料,可以展示非同寻常的光学特质,与自然晶体的特点有很大的不同。例如在微米和纳米级上周期性结构可以帮助科学家克服显微镜分辨率中的衍射极限,从而创造出平面透镜。超材料具有负折射率,具有很强的光学各向异性。因此,Alexey Shcherbakov 与Andrey Ushkov发表的这篇论文将自然晶体与刚才涉及的人工光学材料进行了很好的对接,并对光学复合材料进行了描述。这些复合材料,一方面,在传统晶体学领域中没有谈到,另一方面它们也不是传统的光学晶体或超材料。

    该新发表论文的作者运用了自己的研究模式与方法,他们采用NVidia图形处理单元,模拟复合介质并进行三维立体的周期重造,也就是说,这是对两种透明材料的三维立体晶格重造。与超材料和光学晶体不同,因为它们的晶格组成中光学对比十分强烈。结合低反射率与相对较短周期的低光学对比介质,大约仅为波长的十分之一,莫斯科物理技术学院(MIPT)的物理学家对此进行了研究。尽管这样的组合并不是一定要产生出任何有趣的效果,但科学家们还是展示了许多我们曾经忽略的有趣物理现象。

    在所研究结构的低价值周期内,其光学特质的确与其他自然晶体的光学表现并无区别:具有立方晶格的复合材料事实上具有各向同性, 而具有正方晶格和斜方晶格的的复合材料则具有单轴和双轴性。但是,论文的作者也表示,在保持复合材料作为有效介质的同时,提高周期就可能引起非同寻常的表现。

    首先,会产生新的光轴(斜方晶格可以产生多达十根的光轴)。此外,尽管在经典晶体学中光轴的方向是固定的,但此时新产生的光轴方向却取决于周期与波长比。其次,在短周期内,会出现一个偏振间光速最大距离差的方向(等频率表面两部分间最大距离),这一差距实事上可以为零,但是换种说法,在一段相对较长的周期内,这一方向可以变成一根光轴。 此外,因为采用方法严格,论文作者们获取了大量有关有效介质近似有效性的测试数据。

    “科学家们其实在20世纪中期就已经提到过,对于晶体来说,是有可能具有多根光轴的。例如,俄罗斯诺贝尔奖获得者Vitaly Ginzburg就曾指出这一现象的存在。但是,对于天然晶体来说,因为周期短还不能产生这样的效果,而且那个时候还没有技术可以制造出这样高质量的复合材料。当然,当时的计算机水平也无法对来自晶格非各方同性的各向异性介质介电常数进行必要的修正。我们的实验结果结合了现代计算物理学与图形卡所提供的高性能计算性能。在我们的工作中,我们也同时发展了我们的研究方法,基于第一原理计算法,我们可以对复杂复合物进行可控与精准的有效光学反应计算(在实验中严格采用 Maxwell方程组),” Alexey Shcherbakov 对研究的结果描述到。

    理论预测的实证有效阶段之后可能会带来实践的运用。理论上现代的科技完全可以制造出我们感兴趣的复合材料,并将其运用在不同频段。例如,3-D高分辨率多光子光刻可在远红外频段内使用,微立体光刻可在太赫兹频段应用。实验效果可以让人工晶体各向异性完全依赖于辐射波长,而在天然晶体中则完全不同,这为科学家们发展新型的光学偏振控制元素做好了铺垫。

 
 

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