科研人員發(fā)現(xiàn)了一種天然雙曲材料三氧化鉬

在光學(xué)設(shè)計(jì)中，紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與可見光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大不相同，集中表現(xiàn)在光學(xué)材料的選擇上，考慮到透過率和其他光學(xué)特性，紅外光學(xué)設(shè)計(jì)往往選擇一些比較特殊的光學(xué)材料，比如各種晶體類的材料。許多晶體都具有出雙折射特性，這有利于控制入射光的偏振。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)偏振控制所需的晶體尺寸與入射光波長(zhǎng)和雙折射強(qiáng)度成正比，對(duì)于中遠(yuǎn)紅外成像系統(tǒng)來說，晶體厚度在毫米量級(jí)。

最近，科研人員發(fā)現(xiàn)了一種天然雙曲材料，該材料具有被稱為面內(nèi)雙曲性的極端光學(xué)性質(zhì)，這種性質(zhì)可以有可能使紅外光學(xué)元件變得更為小巧。

所謂的雙曲材料是一種特殊材料，對(duì)沿某一軸的光具有極高的反射率，并沿垂直軸進(jìn)行光反射，這種兩軸都在同一平面內(nèi)的材料能夠被用來制造諸如超薄波片等可改變?nèi)肷涔馄竦墓鈱W(xué)元件。這種材料的反射特性允許光在極小尺寸范圍內(nèi)被操縱和限制。最初人們雙曲特性只存在于人造材料中，2014年研究人員在天然材料六方氮化硼中觀察到了這種特性。六方氮化硼和三氧化鉬的反射行為均來自于晶格振動(dòng)，即以高度各向異性方式振蕩的光學(xué)聲子，抑制了材料對(duì)光的吸收。

研究人員對(duì)三氧化鉬的研究表明該類材料在長(zhǎng)波紅外存在雙曲特性，利用這種特性，通過形成稱為雙曲聲子極化激元的混合光與物質(zhì)激發(fā)，可以將光限制在比其波長(zhǎng)小得多的尺寸上，這種極化激元的壽命長(zhǎng)達(dá)是六方氮化硼最長(zhǎng)壽命的10倍。三氧化鉬的晶體結(jié)構(gòu)具有高度各向異性，晶體三個(gè)晶體軸的長(zhǎng)度均不同，與這些晶體軸關(guān)聯(lián)的聲子能量和折射率均存在很大差異。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(xué)元件為波片，可將線性偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。在紅外波段，傳統(tǒng)材料制成的波片厚度通常超過1mm。若三氧化鉬來代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，厚度僅為幾十微米。

圖b中的元件為偏振片，可將非偏振光轉(zhuǎn)換成線性偏振光。在紅外波段，用傳統(tǒng)材料制成的偏振片通常需要很厚并使用大量金屬柵線。如果用三氧化鉬材料，不需要柵線就可以實(shí)現(xiàn)相同的功能。

圖c為用傳統(tǒng)材料制成的納米級(jí)光子結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生非偏振紅外光，替換成三氧化鉬就可以產(chǎn)生線性偏振。

除了用于光學(xué)元件制作，三氧化鉬的這種特性還可能推動(dòng)納米光子學(xué)的發(fā)展，即將光限制在納米級(jí)尺度。納米級(jí)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(zhǎng)小得多的尺寸，但三氧化鉬可以突破這一限制，使改進(jìn)型紅外發(fā)射器件成為可能。

諸如三氧化鉬等雙曲性材料還可作為超透鏡的基礎(chǔ)材料，超透鏡可對(duì)比成像光波長(zhǎng)小的物體產(chǎn)生放大圖像。這類材料也可用于異質(zhì)結(jié)構(gòu)（將不同材料層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)），以制造具有可控特性的納米光子學(xué)元件。

現(xiàn)有的研究成果為紅外光學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，或能使紅外成像及探測(cè)像可見光成像那樣普及，讓透視煙霧、即時(shí)醫(yī)學(xué)診斷、增強(qiáng)化學(xué)光譜學(xué)等成為可能。