撰稿 | 陳小梅（北京理工大學(xué) 博士）

指導(dǎo) | 鐘海政（北京理工大學(xué) 教授），張用友（北京理工大學(xué) 副教授）

說(shuō)明 | 本文由論文作者（課題組）撰稿

雙折射是光學(xué)晶體的基本光學(xué)特性之一。當(dāng)一束光透過(guò)雙折射晶體，會(huì)分解成尋常光（o光）和非常光（e光）。改變晶體厚度，可以調(diào)控兩束光的相位差，制備出具有不同偏振調(diào)制特性的1/2波片、1/4波片（相位延遲器）等光學(xué)元件，在光通信、顯示和偏振光學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

由于折射率的色散特性，基于傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方案的波片只能在特定波長(zhǎng)工作，不能滿足光學(xué)系統(tǒng)集成化的發(fā)展。如何制備消色差的波片成為光學(xué)領(lǐng)域重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

制造消色差波片的核心是控制每個(gè)波長(zhǎng)的相位延遲。消色差1/4波片的制備一般通過(guò)多個(gè)單軸晶片的黏合，或精確設(shè)計(jì)的超材料和超表面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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(méi)有在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)寬光譜消色差1/4波片的簡(jiǎn)單技術(shù)路線。

鑒于此，北京理工大學(xué)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(xué)教授）共同合作，首次報(bào)道了基于鈣鈦礦晶體的寬波段消色差1/4玻片，為這一領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究方向。

圖1：鈣鈦礦晶體可在寬波段實(shí)現(xiàn)線偏振到圓偏振的調(diào)制

該成果以“Solution-Processed Inorganic Perovskite Crystals as Achromatic Quarter-wave Plates”為題發(fā)表在 Nature Photonics。論文的第一作者是北京理工大學(xué)材料學(xué)院2021屆畢業(yè)生陳小梅博士， 2018屆畢業(yè)生路文高博士、2019屆畢業(yè)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(jié)構(gòu)的新材料，其特殊的綠色熒光特性引起了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。研究人員研究了鈣鈦礦晶體的偏振調(diào)制特性，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)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(nèi)可實(shí)現(xiàn)消色差的偏振調(diào)制。

早在2018年2月，研究人員就已經(jīng)報(bào)道了厘米尺寸Cs?PbBr?晶體的制備和發(fā)光特性（相關(guān)報(bào)道>>>）；

2021年7月，研究人員又報(bào)道了Cs?PbBr?材料的組分對(duì)其發(fā)光特性的影響（相關(guān)文章>>>），在此基礎(chǔ)上制備了兩種Cs?PbBr?晶體，分別是沒(méi)有內(nèi)嵌CsPbBr?納米晶的無(wú)色晶體和含有內(nèi)嵌CsPbBr?納米晶的綠色晶體，其中無(wú)色Cs?PbBr?晶體的生長(zhǎng)參考了中山大學(xué)黃豐教授報(bào)道的水相生長(zhǎng)方法（相關(guān)文章>>>）。兩種晶體為三方晶系，R3C，單軸晶體。高分辨電鏡的結(jié)構(gòu)分析表明內(nèi)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(nèi)嵌CsPbBr?納米晶具有一致的結(jié)構(gòu)取向。

圖2：無(wú)色的純Cs?PbBr?晶體和綠色的內(nèi)嵌CsPbBr?納米晶的Cs?PbBr?晶體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：綠色晶體的STEM表征

最近，在2021年10月的報(bào)道中，研究人員為了研究?jī)煞N晶體的偏振調(diào)制特性，搭建了如圖4所示的測(cè)量裝置。

圖4：偏振調(diào)制測(cè)試光路示意圖

測(cè)試結(jié)果表明，入射光垂直于晶體的(024)晶面，在532 nm和633 nm波長(zhǎng)激光入射下，無(wú)色晶體對(duì)線偏振入射光幾乎沒(méi)有調(diào)制，而綠色晶體可以將入射的線偏振光調(diào)制為圓偏振光，所獲得的左旋和右旋圓偏振光的重復(fù)周期符合1/4波片規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中涉及的測(cè)試細(xì)節(jié)及結(jié)果示意內(nèi)容參見(jiàn)視頻。

為了解釋綠色晶體的消色差偏振調(diào)制特性，研究團(tuán)隊(duì)采用晶體的雙折射理論對(duì)偏振調(diào)制的光學(xué)過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明內(nèi)嵌CsPbBr?納米晶對(duì)Cs?PbBr?晶體的折射率具有特殊的微調(diào)制作用，抵消了Cs?PbBr?晶體折射率色散的影響，是實(shí)現(xiàn)消色差偏振調(diào)制的主要原因。這一結(jié)論，得到了溫度和激光強(qiáng)度依賴的偏振調(diào)制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步證實(shí)。

內(nèi)嵌CsPbBr?納米晶對(duì)Cs?PbBr?晶體的折射率調(diào)制特性，為發(fā)展人工晶體光學(xué)提供了新的思路。通過(guò)晶體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，可突破傳統(tǒng)光學(xué)材料的限制，發(fā)展具有特殊光學(xué)特性的新型光學(xué)材料，為光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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