理化所反常热膨胀光学晶体研究取得进展

在外界温度变化时，常规光学晶体因“热胀冷缩”效应，无法保持光信号传输的稳定性（如光程稳定性等），限制了其在复杂/极端环境中精密光学仪器的应用。探索晶体的反常热膨胀性质如零热膨胀，“对冲”外界温场对晶体结构的影响是解决这一问题的有效途径。然而，通过晶格在温度场作用下的精巧平衡来实现零热膨胀颇为困难，一方面，热膨胀率严格等于零的晶体在自然界中不存在；另一方面，目前化学组分调控晶体热膨胀性质的方法，例如多相复合、元素掺杂、客体分子引入和缺陷生成等，影响晶体的透光性能，不利于光学应用。如何在严格化学配比的晶体材料中，利用其本征的热膨胀性能来实现大温度涨落下的光学稳定性，具有重要的科技意义。

近日，中国科学院理化技术研究所研究员林哲帅、副研究员姜兴兴等提出实现晶体热膨胀的超各向异性，即沿晶体结构的三个主轴方向分别具有零、正、负热膨胀性，来调控光学晶体反常热膨胀性质的新方法。研究通过数学推导严格证明了当沿着三个主轴方向分别具有零、正、负热膨胀时，晶体具有最大的热膨胀可调性，可实现热膨胀效应和热光效应的精巧“对冲”，获得完全不随温度变化的光程超级稳定性。研究在具有高光学透过的硼酸盐材料中探索，系统分析了晶格动力学特征。在此基础上，研究在AEB₂O₄ （AE=Ca或Sr）中发现了首个沿着三个主轴方向零、正、负热膨胀共存的特性。原位变温X射线衍射实验证明AEB₂O₄晶体具有宽的零、正、负热膨胀共存的温区（13 K ~ 280 K）。在相同温度区间内，光程的变化量比常规光学晶体（石英、金刚石、蓝宝石、氟化钙）低三个数量级以上。第一性原理结合变温拉曼光学揭示了AEB₂O₄这种新奇的热膨胀性质源自离子（AEO₈）基团拉伸振动和共价（BO₃）基团扭转振动之间热激发的“共振”效应。该研究为光学晶体反常热膨胀性质的调控提供了全新的方法，对于光学晶体中轴向反常热膨胀性质的功能化具有重要意义。相关研究成果发表在Materials Horizons上。

近年来，该团队致力于光电功能晶体反常热学和反常力学性能的研究，发现了系列具有负热膨胀、零热膨胀、负压缩以及零压缩性能的光电功能晶体，有望为复杂/极端环境下光学器件的稳定性和灵敏度问题提供解决方案。

论文链接

（a）AEB₂O₄的晶体结构；（b）各向异性热膨胀和热光系数的匹配