科学家在聚合准晶体中捕获光–激光和传感器设计的新可能性

时间:2020-10-09 11:39来源:光粒网作者:yeyan 点击:
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摘要:ITMO大学的科学家进行了数个实验,以研究聚合物准晶体,最终证实了其最初的理论。将来,准晶体的使用可能为激光和传感器设计开辟新的可能性。该论文发表在《高级光学材料》上。

关键字:激光,激光技术,激光传感器

水晶灯

  图片来源:Ant Rozetsky

  ITMO大学的科学家进行了数个实验,以研究聚合物准晶体,最终证实了其最初的理论。将来,准晶体的使用可能为激光和传感器设计开辟新的可能性。该论文发表在《高级光学材料》上。

 

  晶体是具有周期性结构的固体,即,当原子移位时,它们会取代其他原子的确切位置,而其他原子在该位置是移位之前的位置。这个事实在20世纪初得到了科学证明。它催生了现代固态物理学,也为半导体技术的发展奠定了基础。

 
米哈伊尔·雷宾(Mikhail Rybin)

  米哈伊尔·雷宾(Mikhail Rybin)。图片来源:ITMO大学

  ITMO物理与工程学院副教授Mikhail Rybin表示:“计算机,智能手机,LED灯泡,激光器–我们无法想象的所有生活,都是由于我们理解事实而设计的半导体材料晶体结构的性质。周期性结构的理论使我们可以得出结论:波(无论是光,电子还是声音)只能以两种方式移动。波要么在晶体中向前传播,要么以所谓的带隙频率迅速衰减。没有其他选择,它可以大大简化粒子传播的规律,同时简化工程任务。”

 

  但是,某些设备要求晶体既不传输也不消灭波,而是将其保留一段时间,这需要光“陷阱”之类的东西。

 

  “例如,对于激光或传感器操作,该波必须多次通过设备的工作区域,以提高其与有源元件相互作用的效率,” Mikhail Rybin解释说。“为光线创建这样的“陷阱”尤其重要,因为很难将其保持在较小的区域内。对于现代物理学来说,这是一项重要的技术挑战。”

 

  越大越好

 

  理想情况下,整个材料应起“陷阱”的作用,因为捕获的光越多,波与活性物质的相互作用就越有效。但是,在晶体的情况下是不可能的。如前所述,它只能消灭或让波浪通过。

 
准晶体陷阱

  轻巧的“陷阱”。本文插图。图片来源:onlinelibrary.wiley.com

  Mikhail Rybin指出:“或者,有可能将光集中在无序结构中,例如粉末中。” “但是,我们无法在此类系统中实现可重复性。在一个样本中,粒子以一种方式排列,而在另一种方式中–完全不同。对于应用任务,您需要一些适合大量生产相同设备的东西。

 

  还有第三种方式。我们可以使用一种中间类型的材料,其中颗粒不会像晶体中那样形成周期性晶格,但同时在数学上有严格的排序。这些结构被称为准晶体,它们是在1980年代发现的,从那时起就被物理学家研究。

 

  “由于准晶体没有周期性,”米哈伊尔·雷宾(Mikhail Rybin)说,“也没有限制,波可以直接通过而不会损失或迅速消失。2017年发表的一篇论文预测了准晶体结构中的光局部化现象,我们必须通过实验加以确认。”

 
Artem Sinelnik实验室

  Artem Sinelnik在实验室中。图片来源:ITMO大学

  说起来容易做起来难

 

  在研究准晶体的近40年中,物理学家已经了解了它们的结构并学会了在计算机上对其进行建模。问题在于这种准晶体在微观水平上不那么容易合成。

 

  物理与工程学系的博士生Artem Sinelnik说:“那是技术发展为我们提供帮助的时候。“在我们的教职员工中,有一种用于三维纳米打印的装置,其中的体素(最小打印量– ITMO.NEWS版)约为半微米,比人的头发小一百倍。在它的帮助下,我们创建了一种准晶体结构,该结构在三维空间中具有复杂的材料结构分布。”

 
阿尔特姆·西内尼克(Artem Sinelnik)

  Artem Sinelnik。图片来源:ITMO大学

  创建样本后,科学家们开始了他们的初步研究。他们用电子显微镜分析了表面质量。然后,他们进行了光学测量,以确认样品的内部容量确实确实具有准晶体结构。

 

  该论文的共同作者阿特姆·西内尔尼克(Artem Sinelnik)解释说:“在那之后,我们进行了一个实验,将短的光脉冲发送到准晶体,并测量了所谓的余辉。事实证明,光会延迟地离开我们的样本,也就是说,该波在内部保持了很长时间。因此,我们已经确认了在三维聚合物准晶体中捕获光的能力。”

 
Mikhail Rybin和Artem Sinelnik

  Mikhail Rybin和Artem Sinelnik。图片来源:ITMO大学

  前景展望

 

  目前,这项工作还仅仅是基础。它展示了通过使用三维纳米打印创建的聚合物准晶体的主要光学特性,以及它们定位光的能力。但是,正如作者指出的那样,该研究可能会在将来应用。

 

  “例如,通常根据一种事实来设计激光器,即我们拥有一种有源介质,在该介质中,光会通过足够大的外部谐振器进行定位,” Mikhail Rybin解释说。“在这项工作中,我们已经证明准晶体可以将活性介质和谐振器的功能组合在一个结构中。”


【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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