激光破译光子晶体的内里乾坤

材料牛注：光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构。目前，麻省理工学院的研究人员成功破译了光子晶体内部的结构，这一技术借助激光来对光子晶体进行测试，从而得到光子晶体结构图像，进而有望更好的调控晶体生长过程。

麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一种新的技术来揭示光子晶体的内部结构，拥有奇特光学性质的合成材料备受研究人员关注。

光子晶体通常采用微芯片制造方法，在透明材料板中钻取数百万个紧密间隔的微小孔，根据这些孔的取向、尺寸和间距不同，光子晶体可以表现出各种独特的光学性质，其中包括允许超过正常理论极限的“超透镜”和可以沿着入射光相反方向弯曲的“负折射”。

但是，了解各种方向的各种颜色的光如何穿过光子晶体需要极其复杂的计算。因此，研究人员经常仅计算沿着单个方向或针对单个颜色的光对其进行高度简化。

由麻省理工学院的研究人员开发的新技术，使得全方位的信息以所谓的“等频率线”模式直接可见，同时允许拍摄和检查。在很多情况下，这些频率线消除了理论计算的需要。该技术在Science Advances 期刊上发表的一篇论文中有详细介绍，该论文作者为MIT博士后Bo Zhen，威尔斯利大学毕业生Emma Regan，麻省理工学院物理学家Marin Soljacic和John Joannopoulos教授。

Zhen解释道，这种新技术的发现是基于研究人员多年来一直使用但对其机理不甚了解的一个现象。当样品被激光照射时，散射光的图像仿佛就是从光子材料的样品中散发出来一样。这是一个惊喜，因为这些材料的基本晶体结构几乎称得上是完美的。

“当我们尝试进行激光测量时，我们总是会看到这种图像，我们看到了这种图像，但我们却不知道它是如何形成的。”Zhen回忆说。 该图像至少帮助了研究人员了解其实验装置是否对齐，因为只有激光束与晶体角度正确，散射光模式才将出现。然而，通过仔细分析，研究人员意识到散射图案是由晶体中的锥形微小缺陷产生的。

“人们通常认为完美的样品的散射非常弱，但即使在最完美的样品也会有制造障碍。”Regan解释说。所以，在某些角度和频率下，入射光将发生强烈的散射：多达50％的入射光可以被散射。通过依次用不同颜色的序列照射样本，可以建立由全部可见光谱内光束的相对路径显示图。

“这是一个观察等频率线非常有效且直观的方式，你只需要用一定方向的频率的激光照射样品，直接得到的图像上就显示了我们所需的信息。” Soljacic说道。

该研究团队表示，这项技术可以有许多不同的用途。例如，通过这一发现可以制造出一个大的透明显示屏，其中大多数光将直接通过屏幕，但是特定频率的光将被散射从而在屏幕上产生清晰的图像。或者可以用于私人显示器上，使得只有直接在屏幕前面的人是可见的，从而极大程度上保护了个人隐私。

由于这项技术基于晶体制造中所产生的缺陷，所以它也可以用作材料制造过程中的质量控制部件。所得到的图像不仅提供了缺陷总量的指标，而且揭示了晶体的特定性质，因此研究人员通过图像来调控并改进晶体制造过程。

原文链接：Laser light illuminates inner details of photonic crystals.

文献链接：Direct imaging of isofrequency contours in photonic structures.

本文由材料人编辑部杨树提供素材，应豆编译，点我加入材料人编辑部。

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