- 2024-08-27 08:47:53 18
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反常熱膨脹光學(xué)晶體研究獲進(jìn)展 有望提升精密光學(xué)儀器穩(wěn)定性
導(dǎo)讀：在相同溫度區(qū)間內(nèi)，光程的變化量比常規(guī)光學(xué)晶體(石英、金剛石、藍(lán)寶石、氟化鈣)低三個(gè)數(shù)量級以上。
近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員林哲帥、副研究員姜興興等提出實(shí)現(xiàn)晶體熱膨脹的超各向異性，為光學(xué)晶體反常熱膨脹性質(zhì)的調(diào)控提供了全新的方法，對于光學(xué)晶體中軸向反常熱膨脹性質(zhì)的功能化具有重要意義。
在外界溫度變化時(shí)，常規(guī)光學(xué)晶體因“熱脹冷縮”效應(yīng)，無法保持光信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性(如光程穩(wěn)定性等)，限制了其在復(fù)雜/極端環(huán)境中精密光學(xué)儀器的應(yīng)用。探索晶體的反常熱膨脹性質(zhì)如零熱膨脹，“對沖”外界溫場對晶體結(jié)構(gòu)的影響是解決這一問題的有效途徑。
然而，通過晶格在溫度場作用下的精巧平衡來實(shí)現(xiàn)零熱膨脹頗為困難，一方面，熱膨脹率嚴(yán)格等于零的晶體在自然界中不存在；另一方面，目前化學(xué)組分調(diào)控晶體熱膨脹性質(zhì)的方法，例如多相復(fù)合、元素?fù)诫s、客體分子引入和缺陷生成等，影響晶體的透光性能，不利于光學(xué)應(yīng)用。如何在嚴(yán)格化學(xué)配比的晶體材料中，利用其本征的熱膨脹性能來實(shí)現(xiàn)大溫度漲落下的光學(xué)穩(wěn)定性，具有重要的科技意義。
該研究團(tuán)隊(duì)提出實(shí)現(xiàn)晶體熱膨脹的超各向異性，即沿晶體結(jié)構(gòu)的三個(gè)主軸方向分別具有零、正、負(fù)熱膨脹性，來調(diào)控光學(xué)晶體反常熱膨脹性質(zhì)的新方法。研究通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)格證明了當(dāng)沿著三個(gè)主軸方向分別具有零、正、負(fù)熱膨脹時(shí)，晶體具有最大的熱膨脹可調(diào)性，可實(shí)現(xiàn)熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)的精巧“對沖”，獲得完全不隨溫度變化的光程超級穩(wěn)定性。
研究在具有高光學(xué)透過的硼酸鹽材料中探索，系統(tǒng)分析了晶格動(dòng)力學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上，研究在AEB2O4 (AE=Ca或Sr)中發(fā)現(xiàn)了首個(gè)沿著三個(gè)主軸方向零、正、負(fù)熱膨脹共存的特性。原位變溫X射線衍射實(shí)驗(yàn)證明AEB2O4晶體具有寬的零、正、負(fù)熱膨脹共存的溫區(qū)(13 K ~ 280 K)。
在相同溫度區(qū)間內(nèi)，光程的變化量比常規(guī)光學(xué)晶體(石英、金剛石、藍(lán)寶石、氟化鈣)低三個(gè)數(shù)量級以上。第一性原理結(jié)合變溫拉曼光學(xué)揭示了AEB2O4這種新奇的熱膨脹性質(zhì)源自離子(AEO8)基團(tuán)拉伸振動(dòng)和共價(jià)(BO3)基團(tuán)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之間熱激發(fā)的“共振”效應(yīng)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Materials Horizons上。
近年來，該團(tuán)隊(duì)致力于光電功能晶體反常熱學(xué)和反常力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)了系列具有負(fù)熱膨脹、零熱膨脹、負(fù)壓縮以及零壓縮性能的光電功能晶體，有望為復(fù)雜/極端環(huán)境下光學(xué)器件的穩(wěn)定性和靈敏度問題提供解決方案。
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