钙钛矿晶体的消色差1/4波片特性

撰稿 | 陈小梅（北京理工大学 博士）

指导 | 钟海政（北京理工大学 教授），张用友（北京理工大学 副教授）

说明 | 本文由论文作者（课题组）撰稿

双折射是光学晶体的基本光学特性之一。当一束光透过双折射晶体，会分解成寻常光（o光）和非常光（e光）。改变晶体厚度，可以调控两束光的相位差，制备出具有不同偏振调制特性的1/2波片、1/4波片（相位延迟器）等光学元件，在光通信、显示和偏振光学等领域具有重要应用价值。

 

由于折射率的色散特性，基于传统光学设计方案的波片只能在特定波长工作，不能满足光学系统集成化的发展。如何制备消色差的波片成为光学领域重要的技术挑战之一。

 

制造消色差波片的核心是控制每个波长的相位延迟。消色差1/4波片的制备一般通过多个单轴晶片的黏合，或精确设计的超材料和超表面来实现。

 

然而，单轴晶片的黏合和超材料的制备都受到加工极限的限制，目前尚没有在可见光波段实现宽光谱消色差1/4波片的简单技术路线。

 

鉴于此，北京理工大学钟海政教授、张用友副教授、王涌天教授以及兼职教授Greg Scholes教授（普林斯顿大学教授）共同合作，首次报道了基于钙钛矿晶体的宽波段消色差1/4玻片，为这一领域的发展开辟了新的研究方向。

图1：钙钛矿晶体可在宽波段实现线偏振到圆偏振的调制

 

该成果以“Solution-Processed Inorganic Perovskite Crystals as Achromatic Quarter-wave Plates”为题发表在 Nature Photonics。论文的第一作者是北京理工大学材料学院2021届毕业生陈小梅博士， 2018届毕业生路文高博士、2019届毕业生汤加伦博士是论文的共同作者。

 

Cs₄PbBr₆是一类具有零维钙钛矿结构的新材料，其特殊的绿色荧光特性引起了领域内的广泛关注。研究人员研究了钙钛矿晶体的偏振调制特性，发现了内嵌CsPbBr₃纳米晶的Cs₄PbBr₆晶体的消色差1/4波片特性，在532-800 nm宽波段内可实现消色差的偏振调制。

 

早在2018年2月，研究人员就已经报道了厘米尺寸Cs₄PbBr₆晶体的制备和发光特性（相关报道>>>）；

 

2021年7月，研究人员又报道了Cs₄PbBr₆材料的组分对其发光特性的影响（相关文章>>>），在此基础上制备了两种Cs₄PbBr₆晶体，分别是没有内嵌CsPbBr₃纳米晶的无色晶体和含有内嵌CsPbBr₃纳米晶的绿色晶体，其中无色Cs₄PbBr₆晶体的生长参考了中山大学黄丰教授报道的水相生长方法（相关文章>>>）。两种晶体为三方晶系，R3C，单轴晶体。高分辨电镜的结构分析表明内嵌CsPbBr₃纳米晶的(112)、(001)、(631)晶面分别与Cs₄PbBr₆的(100)、(010)、(001)晶面平行，因此所有内嵌CsPbBr₃纳米晶具有一致的结构取向。

图2：无色的纯Cs₄PbBr₆晶体和绿色的内嵌CsPbBr₃纳米晶的Cs₄PbBr₆晶体的结构示意图

 

图3：绿色晶体的STEM表征

 

最近，在2021年10月的报道中，研究人员为了研究两种晶体的偏振调制特性，搭建了如图4所示的测量装置。

图4：偏振调制测试光路示意图

 

测试结果表明，入射光垂直于晶体的(024)晶面，在532 nm和633 nm波长激光入射下，无色晶体对线偏振入射光几乎没有调制，而绿色晶体可以将入射的线偏振光调制为圆偏振光，所获得的左旋和右旋圆偏振光的重复周期符合1/4波片规律。实验中涉及的测试细节及结果示意内容参见视频。

 

为了解释绿色晶体的消色差偏振调制特性，研究团队采用晶体的双折射理论对偏振调制的光学过程进行了分析，结果表明内嵌CsPbBr₃纳米晶对Cs₄PbBr₆晶体的折射率具有特殊的微调制作用，抵消了Cs₄PbBr₆晶体折射率色散的影响，是实现消色差偏振调制的主要原因。这一结论，得到了温度和激光强度依赖的偏振调制实验的进一步证实。

 

内嵌CsPbBr₃纳米晶对Cs₄PbBr₆晶体的折射率调制特性，为发展人工晶体光学提供了新的思路。通过晶体内部的微观结构调控，可突破传统光学材料的限制，发展具有特殊光学特性的新型光学材料，为光学系统的优化设计和集成化提供了新思路。

 

论文信息：

Chen, X., Lu, Wg., Tang, J. et al. Solution-processed inorganic perovskite crystals as achromatic quarter-wave plates. Nat. Photon. (2021). 

 

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00865-0

文章来源：中国光学公众号