港大物理学家研发新一代光学技术 利用合成复频波方法克服损耗 提升超透镜成像质量



香港 - Media OutReach - 2023年8月21日 - 由香港大学(港大)物理学系系主任(暂任)张霜教授率领的研究团队,伙拍国家纳米科学中心戴庆团队、英国帝国理工学院John Pendry爵士的团队及美国柏克莱加州大学团队,合作提出了「多频率组合复频波激发超透镜成像理论机制(Synthetic Complex Frequency Wave Approach)」,通过虚拟增益来抵消光系统里的固有损耗,成功提高超透镜的成像分辨率约一个量级。 该研究成果近日刚于权威学术期刊《科学》(Science)中发表。

图一: 利用合成复频波方法提升超透镜成像质量的原理示意图。 在不同实频率的照明下,通过超级透镜呈现同一物体时,图像的模糊程度各有不同,难以准确显示物体的外观。 但将多个单频图像的幅值和相位组合后,便可得到清晰的图像。 图片来源:香港大学
利用合成复频波方法提升超透镜成像质量的原理示意图。 在不同实频率的照明下,通过超级透镜呈现同一物体时,图像的模糊程度各有不同,难以准确显示物体的外观。 但将多个单频图像的幅值和相位组合后,便可得到清晰的图像。 图片来源:香港大学

成像在生物学、医学和材料科学等许多领域发挥着重要作用。 光学显微镜利用光来获得微小物体的成像。 然而,传统显微镜最多只能解析光学波长数量级的特征尺寸,即衍射极限。

为了克服衍射极限,伦敦帝国理工学院的John Pendry爵士在2000年提出了由负折射率介质或银等贵金属制成的超透镜(Superlens)的理论概念。 随后,现任港大校长张翔教授与其时在美国柏克莱加州大学的团队率先实现了光学超透镜的实验,极大地推动了超透镜技术的发展和应用。 自此以后,各国科学家纷纷投放更多资源,致力于超透镜的研究,使其成为光学领域的热门课题。 然而,超透镜的固有损耗(intrinsic loss)一直是该领域的一个关键课题,对提升成像分辨率造成限制。

该论文的通讯作者、港大物理学系系主任(暂任)及讲座教授张霜解释说:「为了解决一些重要而应用中的光损耗问题,我们提出了一种实用的解决方案——使用一种新颖的合成复激发波来获得虚拟增益,进而抵消光学系统的固有损耗。 为了证明这方法的可行性,我们将之应用到超透镜成像机制中,在理论上让成像分辨率显著提升。」

「我们通过在微波频率范围内使用由双曲超材料制成的超透镜和在光学频率范围内的极化子材料制成的超透镜进行实验,进一步证明了我们的理论,并获得了符合我们理论预期的优秀成像效果。 」该论文的第一作者、港大博士后研究员管福鑫博士补充道。

多频率组合复频波方法克服光学损耗

光学损耗是限制光子学领域发展的主要瓶颈之一。 目前最常用的解决方案是使用放大光信号的增益介质来抵消损耗,但这种设置复杂,还会增加电磁响应的不稳定性和噪声。 在这项研究中,研究人员提出了一种实用的解决方案——借助多频率组合的复频波激发来获得虚拟增益,进而抵消光学体系的本征损耗,从而获得更高质量的超透镜成像分辨率。

到底甚么是复频率呢? 波的频率是指它随时间振荡的速度。 一般而言,我们会很自然地将频率视为实数。 但是,其实频率的概念可以扩展到复数领域,其中频率的虚部(Imaginary Part)也具有明确的物理意义,即波随时间放大或衰减的速度。 因此,对于具有负(正)虚部的复频率,波随时间衰减(放大)。 当然,理想的复频波并无物理上的意义,由于当时间趋近正无穷大或负无穷大时,复数频率会发散,具体取决于其虚部的符号。 因此,实践复频波须限制波的持续时间,以避免发散。 然而,基于复频波的光学测量须在时域(time domain)中进行,并且会涉及复杂的时间选通测量(time-gate measurement),且虚拟增益的信号非常微弱,因此迄今为止尚未在实验上验证。 这里,研究团队采用了新的方法,通过傅立叶变换(Fourier Transformation)将截断的复频波拆分为许多不同实频率的组合,从而克服了复频波难以实现的挑战。

研究团队最终通过理论预测,发现多频率组合复频波激发可以获得虚拟增益,从而获得更高质量的超透镜成像。

实验中,研究团队首先在微波频率下使用双曲超材料(Hyperbolic Metamaterial)进行超级成像。 双曲超材料可以承载具有非常大波矢(或相当小波长)的波,从而能够传输细节相当微小的信息。 然而,波矢越大,波对光损耗越敏感。 因此,在存在损耗的情况下,那些「小信息」在双曲超材料内部传播期间会被丢失。 研究团队表明,将在不同实际频率下测量的模糊图像组合,可以在复频率下形成具有深亚波长分辨率的清晰图像。

该团队进一步将该原理扩展到光学频段,创造了碳化硅声子极化激元材料的光学超透镜,但损耗仍然限制了成像分辨率。 因此,在所有实际频率下成像的空间分辨率相对较低,如纳米级孔的模糊图像。 但通过多频率组合的复频波激发,进而虚拟增益补偿光学损耗,成功将超透镜的成像分辨率提高了约一个量级,这将对光学成像领域产生巨大影响。

「合成复合频波方法是一种克服光子学系统固有损耗的实用技术,不仅在超透镜成像领域表现卓越,还可以扩展到光学的其他领域,例如极化激元分子传感和波导器件等。 这为提高多频段光学性能、设计高密度集成光子芯片等方向提供了一条潜在的途径。 」论文另一通讯作者、港大校长兼物理学系及机械工程系讲座教授张翔教授表示,此新方法具有广泛适用性,他说:「这个方法可以拓展到其他波动体系,如声波、弹性波以及量子波等,以解决光损耗的问题,将成像质量提升到另一个层次。」

此研究获新基石科学基金会、香港研究资助局所支持。

详情请参看研究论文:'Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency', Science.
合并:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1267
更多有关张霜教授的研究请见:https://shorturl.at/efCN1


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SOURCE:

香港大学

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Education

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PUBLISHED ON:

21 Aug 2023

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