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據麥姆斯咨詢報道，科研人員發現了一種天然雙曲材料，該材料具有被稱為面內雙曲性（in-planehyperbolicity）的極端光學性質。該發現有可能將紅外光學元件變得更為小巧。雙曲材料對沿某一軸的光具有高反射，并沿垂直軸進行光反射。通常情況下，其中某個軸在材料平面內，另一個軸在該平面之外。而兩軸都在同一平面內的材料就能夠被用來制造如超薄波片（ultrathinwaveplate）等可改變入射光偏振的光學元件。此外，這種材料的反射特性允許光在極小尺寸范圍內（小于光波波長的百分之一）被操縱和限制。Ma等人將該研究發表在《自然》雜志上，論文題目為“In-planeanisotropicandultra-low-losspolaritonsinanaturalvanderWaalscrystal”，詳細闡述了天然材料三氧化鉬（molybdenumtrioxide，MoO3）存在的這種面內雙曲性。許多晶體都表現出雙折射，在這種情況下，其折射率（測量材料中光速的指標）沿不同軸而有所區別。此性質可用于控制入射光的偏振。在實際應用中，實現充分偏振控制所需的晶體尺寸與入射光波長和雙折射強度成正比。因此，電磁波譜的中遠紅外區域（波長范圍3μm-300μm），通常要求晶體厚度需達到幾毫米。為滿足這一要求，可能的解決方案是考慮具有雙曲性的材料，這是一種雙折射的極端形式。雙曲性最初被認為只存在于包含集成反射和透明域的人造材料中。但2014年研究人員在天然材料六方氮化硼（hexagonalboronnitride）中觀察到了這種特性。該材料和三氧化鉬的反射行為均來自于晶格振動（crystal-latticevibration），即以高度各向異性（取決于方向）方式振蕩的光學聲子（opticalphonon）。這些聲子的壽命相對較長（壽命時長超過1皮秒），這強烈抑制了材料對光的吸收。自從在六方氮化硼中發現雙曲性以來，研究者已鑒定出多種天然雙曲材料。今年早些時候有研究報道了三氧化鉬的初步研究情況，結果表明對長波紅外光（波長為8μm~14μm）存在雙曲性。Ma和同事目前已證明并表征了相同光譜范圍內的面內雙曲性。他們利用這種特性，通過形成稱為雙曲聲子極化激元（hyperbolicphononpolariton）的混合光與物質激發，將光限制在比其波長小得多的尺寸上。研究表明，這種極化激元的壽命長達20皮秒，是六方氮化硼最長壽命的10倍。由于三氧化鉬的晶體結構具有高度各向異性，因此定義晶體單位晶胞邊緣的三個晶體軸的長度均不同。因此，與這些軸相關的聲子能量和相應折射率均存在很大差異，導致約0.31的雙折射。值得注意的是，今年早些時候有研究顯示，用于中波紅外到長波紅外的天然材料硫化鋇鈦（Bariumtitaniumsulfide）存在0.76的同樣大平面內雙折射。然而，這種材料并未觀察到雙曲性。圖1控制紅外偏振。Ma等人的研究表明，三氧化鉬等材料可用于精確控制紅外光偏振。圖a中的光學元件被稱為波片，可將線性偏振光轉換為圓偏振光。在紅外波段，傳統材料制成的波片厚度通常超過1mm。該材料可利用三氧化鉬薄板來代替，厚度僅為幾十微米。圖b中的元件被稱為偏振片，可將非偏振光（偏振指向所有方向）轉換成線性偏振光。在紅外波段，用傳統材料制成的偏振片通常需要很厚，并使用大量金屬線柵。這種結構可以用基本不需要制造的三氧化鉬薄膜代替。圖c為由傳統材料制成的納米級光子結構，可發射非偏振紅外光。但如果使用三氧化鉬，就可實現線性偏振發射。三氧化鉬的面內雙曲性為小尺寸光學元件代替傳統光學元件提供了機會。特別是，利用該材料（或硫化鋇鈦）的大平面內雙折射，紅外波片可以由厚度為幾十微米的薄板構成（圖1a）。這種波片可以在長波紅外波段工作，對于該波段，市售波片非廣泛可得，且其厚度也超過了1mm。此外，利用該材料的平面內雙曲性，偏振元件可以由簡單的1μm厚度的薄膜制成（圖1b），偏振片可以有選擇地讓某個方向振動的入射光通過。傳統偏振片需要更厚，通常還需在其表面形成大量的金屬線柵。因此，三氧化鉬的顯著特性可以大大降低光學元件的尺寸和成本，并且在薄而緊湊型紅外器件中具有普適性。除了傳統光學元件，三氧化鉬的這種特性還可能推動納米光子學領域的進展，該領域的重點是將光限制在納米級尺寸。該材料可在長波紅外波段觀察到雙曲性，而納米級的光限制必然意味著突破衍射極限，通常情況下光不能被集中到比其波長小得多的尺寸。三氧化鉬可以突破這一限制，因此為生產改進型紅外發射器件提供了機會。例如，由支持極化激元的材料制成的加熱納米級光子結構，可產生一種或多種特定頻率的光，而非普通燈泡發出的寬頻率范圍的光。這種結構提供了類似發光二極管的光源，這種光源可設計成在存在紅外線的任何地方工作。另外，這些光子結構發射的光通常是非偏振的（圖1c）。只有利用具有面內雙曲性的材料，才能產生單一的純偏振光。最后，諸如三氧化鉬等雙曲性材料還可作為超透鏡的基礎材料，超透鏡可對比成像光波長小的物體產生放大圖像。這類材料也可用于異質結構（將不同材料層相結合的結構），以制造具有可控特性的納米光子學元件。Ma和同事的研究工作再次證明：大自然給予我們的東西遠比我們想象的要多。納米光子學的未來曾一度被認為是需要通過人工材料實現的，但這項研究和過去幾年的其他研究都表明：在許多情況下，尋找先進材料的最佳途徑是在大量自然材料中尋找。這些研究的成果為紅外光學和納米光子學領域貢獻了實質性進展，或能使紅外成像及探測像可見光成像那樣普及，讓現場急救人員“透視”煙霧、即時醫學診斷以及增強化學光譜學等愿景成為可能。

關鍵字標籤：皮秒雷射療程