激光破譯光子晶體的內里乾坤

材料牛注：光子晶體是由周期性排列的不同折射率的介質制造的規則光學結構。目前，麻省理工學院的研究人員成功破譯了光子晶體內部的結構，這一技術借助激光來對光子晶體進行測試，從而得到光子晶體結構圖像，進而有望更好的調控晶體生長過程。

麻省理工學院（MIT）的研究人員開發了一種新的技術來揭示光子晶體的內部結構，擁有奇特光學性質的合成材料備受研究人員關注。

光子晶體通常采用微芯片制造方法，在透明材料板中鉆取數百萬個緊密間隔的微小孔，根據這些孔的取向、尺寸和間距不同，光子晶體可以表現出各種獨特的光學性質，其中包括允許超過正常理論極限的“超透鏡”和可以沿著入射光相反方向彎曲的“負折射”。

但是，了解各種方向的各種顏色的光如何穿過光子晶體需要極其復雜的計算。因此，研究人員經常僅計算沿著單個方向或針對單個顏色的光對其進行高度簡化。

由麻省理工學院的研究人員開發的新技術，使得全方位的信息以所謂的“等頻率線”模式直接可見，同時允許拍攝和檢查。在很多情況下，這些頻率線消除了理論計算的需要。該技術在Science Advances 期刊上發表的一篇論文中有詳細介紹，該論文作者為MIT博士后Bo Zhen，威爾斯利大學畢業生Emma Regan，麻省理工學院物理學家Marin Soljacic和John Joannopoulos教授。

Zhen解釋道，這種新技術的發現是基于研究人員多年來一直使用但對其機理不甚了解的一個現象。當樣品被激光照射時，散射光的圖像仿佛就是從光子材料的樣品中散發出來一樣。這是一個驚喜，因為這些材料的基本晶體結構幾乎稱得上是完美的。

“當我們嘗試進行激光測量時，我們總是會看到這種圖像，我們看到了這種圖像，但我們卻不知道它是如何形成的。”Zhen回憶說。 該圖像至少幫助了研究人員了解其實驗裝置是否對齊，因為只有激光束與晶體角度正確，散射光模式才將出現。然而，通過仔細分析，研究人員意識到散射圖案是由晶體中的錐形微小缺陷產生的。

“人們通常認為完美的樣品的散射非常弱，但即使在最完美的樣品也會有制造障礙。”Regan解釋說。所以，在某些角度和頻率下，入射光將發生強烈的散射：多達50％的入射光可以被散射。通過依次用不同顏色的序列照射樣本，可以建立由全部可見光譜內光束的相對路徑顯示圖。

“這是一個觀察等頻率線非常有效且直觀的方式，你只需要用一定方向的頻率的激光照射樣品，直接得到的圖像上就顯示了我們所需的信息。” Soljacic說道。

該研究團隊表示，這項技術可以有許多不同的用途。例如，通過這一發現可以制造出一個大的透明顯示屏，其中大多數光將直接通過屏幕，但是特定頻率的光將被散射從而在屏幕上產生清晰的圖像。或者可以用于私人顯示器上，使得只有直接在屏幕前面的人是可見的，從而極大程度上保護了個人隱私。

由于這項技術基于晶體制造中所產生的缺陷，所以它也可以用作材料制造過程中的質量控制部件。所得到的圖像不僅提供了缺陷總量的指標，而且揭示了晶體的特定性質，因此研究人員通過圖像來調控并改進晶體制造過程。

原文鏈接：Laser light illuminates inner details of photonic crystals.

文獻鏈接：Direct imaging of isofrequency contours in photonic structures.

本文由材料人編輯部楊樹提供素材，應豆編譯，點我加入材料人編輯部。

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