双曲材料中的非对称吸收和增强吸收
2020-02-24

北京大学吴小虎博士,联合英国格拉斯哥大学Rair Macedo博士后,在石英的远红外波段观测到非对称吸收和增强吸收,相关研究成果以“Emergent asymmetries and enhancement in the absorption of natural hyperbolic crystals”为题于2019年11月25日发表在Optica [6(12): 1478-1483 (2019)]上。

在各向异性材料中,双曲材料备受关注,因为这种材料支持波矢很大的传播波。它已经在亚波长成像、光场局域和增强近场辐射换热等领域得到应用。由于加工工艺的局限性,目前双曲材料的研究大多集中在光轴与材料表面垂直或平行的情况。在双曲各向异性材料的研究中,改变光轴取向是最近才出现的一种控制和操作其光学特性的方式。

首先,研究人员对光轴倾斜的石英进行研究,发现当材料的光轴既不平行也不垂直材料表面时,可以得到非对称的吸收,并在实验上进行了验证。他们利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)结合KRS-5偏振片测量石英的反射率和透射率,然后根据基尔霍夫定律,得到材料的吸收率。实验结果和数值结果如下图所示,可以看出,实验和数值计算吻合的非常好。并且,波数695 cm-1处可以观测到非常强烈的非对称吸收。进一步,他们发现厚度可以控制非对称吸收的强弱。这一工作将为单向光学器件的设计提供新的途径。


图 光轴不同朝向时石英的吸收:(a)-(c)对应光轴倾斜角度为0度;(d)-(f) 对应光轴倾斜角度为45度,(g)-(i) 对应光轴倾斜角度为60度。左边的图显示数值结果,吸收随着入射角度θ和波数ω的变化。右边的图显示实验结果(虚线)和数值结果(实线)的对比。

其次,他们发现,通过倾斜双曲材料的光轴可以增强材料的吸收,这是因为光轴的倾斜会增大材料中电磁波传播的波矢,进而增强吸收。这为完美吸收器的设计提供了新的思路。

吴小虎博士为论文第一作者,Rair Macedo为论文通讯作者。这项工作得到 Leverhulme基金和格拉斯哥大学Carnegie基金的资助。

论文链接:https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-12-1478

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