最近，南京大學(xué)物理學(xué)院朱永元教授課題組和現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院秦亦強(qiáng)教授、張超副教授團(tuán)隊(duì)通力合作在非線性光學(xué)成像領(lǐng)域取得了進(jìn)展，提出了一種利用二次諧波直接觀測(cè)無規(guī)鐵電疇結(jié)構(gòu)的新型方法，并在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證。該研究工作已被Physical Review Letters接收發(fā)表。 /0d078Y9fQbc1326161359af1b887f1ccd67a15544

　　鐵電材料由于其壓電、熱電和光電方面的特殊性質(zhì)而在許多研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀功能，因此對(duì)鐵電疇結(jié)構(gòu)的表征技術(shù)逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，包括電子顯微鏡、線性光學(xué)成像和非線性光學(xué)成像等方法，已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于觀測(cè)疇結(jié)構(gòu)。然而這些方法在實(shí)際研究和應(yīng)用中仍存在一定局限性，比如說線性光學(xué)方法由于正負(fù)疇的折射率相同，需要先對(duì)樣品腐蝕來改變疇壁周圍的相關(guān)特性，這就對(duì)會(huì)樣品造成損傷;再比如基于Talbot和Cherenkov效應(yīng)的一些非線性光學(xué)方法,只適用于周期結(jié)構(gòu)或者是需要配合焦點(diǎn)掃描的手段才能成像，無法直接對(duì)一般的無規(guī)疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。

　　利用鐵電疇疇壁在非線性成像過程中的特殊衍射性質(zhì)，研究人員提出了一種簡(jiǎn)單的非線性成像方法，能夠直接并實(shí)時(shí)地觀測(cè)二維無規(guī)鐵電疇結(jié)構(gòu)。該工作主要分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分。理論上主要從衍射方程出發(fā)，對(duì)鐵電疇疇壁的二次諧波衍射特性進(jìn)行了理論分析，給出了一對(duì)正負(fù)疇的倍頻傳輸場(chǎng)強(qiáng)分布的解析解，發(fā)現(xiàn)疇壁處的倍頻像始終呈暗場(chǎng)。通過進(jìn)一步的理論分析，發(fā)現(xiàn)疇壁的倍頻像線寬在一定區(qū)域內(nèi)與傳播距離的平方根成正比，與正常的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射過程(一次方)相比疇壁像的展寬得到了極大的抑制，為直接成像提供了可能性。在此基礎(chǔ)上，將單一疇結(jié)構(gòu)推廣到復(fù)雜的無規(guī)則疇結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過數(shù)值仿真模擬二次諧波成像證實(shí)了傳輸過程中疇界的近似無衍射性質(zhì)。該工作的實(shí)驗(yàn)部分主要以鉭酸鋰為例，用900nm的飛秒激光打到樣品上，在CCD中可以直接收集到450nm的倍頻疇結(jié)構(gòu)像，其中疇界顯示為暗場(chǎng)。結(jié)果表明，可以在百微米范圍內(nèi)連續(xù)觀測(cè)到疇結(jié)構(gòu)的清晰倍頻像，其中衍射效應(yīng)確實(shí)得到了很好的抑制。

　　這種基于二次諧波的觀測(cè)方法不需要大型的顯微鏡設(shè)備，也不需要焦點(diǎn)掃描，可以用來無損地實(shí)時(shí)觀測(cè)不規(guī)則疇結(jié)構(gòu)，其成像質(zhì)量還有望通過計(jì)算機(jī)后期數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步提升，為實(shí)現(xiàn)鐵電疇的高分辨率成像提供了可能，具有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　論文第一作者是現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2014級(jí)直博生陸蓉兒，張超副教授和秦亦強(qiáng)教授為本文的共同通訊作者。朱永元教授給予本文精細(xì)的指導(dǎo)。南京大學(xué)是論文唯一署名單位?，F(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張勇教授、物理學(xué)院洪煦昊工程師對(duì)實(shí)驗(yàn)提供了大力支持。感謝劉冬梅博士、魏敦釗博士生及劉昂博士生的幫助。該研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2017YFA0303700)、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省科學(xué)基金項(xiàng)目資助完成，同時(shí)感謝人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省高等教育機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)學(xué)科等平臺(tái)與項(xiàng)目的大力支持。