香港大学校长张翔教授团队最新Science：用复频率合成波克服超透镜的损耗

一、【导读】

由等离子体激元材料和超材料制成的超透镜可以在亚衍射尺度上成像。然而，固有损耗降低了超透镜的深亚波长信息，严重限制了成像分辨率，这一问题也阻碍了超透镜的广泛应用。目前已经提出通过引入虚拟增益用以抵消超透镜中的固有损耗，从而表现出时间衰减行为的复频率光波(CFWs)，但是由于具有时间衰减的成像测量困难问题，合成CFWs在光学系统中具有很大的挑战性，一直缺乏相关实验。

二、【成果掠影】

近日香港大学校长张翔教授、张霜教授以及国家纳米科学技术中心戴庆研究员，英国伦敦帝国学院John Pendry教授团队提出了一种基于实际频率测量的多频方法来构建复频率光波(CFWs)。在多个实际频率下进行了测量，并根据洛伦兹线形将不同频率下的测量场图组合在一起，数字合成了CFW照明下的场分布。作为概念证明，在光学频率下工作的SiC材料和在微波频率下工作的大块双曲超材料都被用作超级透镜。尽管由于这些系统中仍旧存在不可避免的材料损耗，在实际频率下成像的空间分辨率很差，但由多个频率分量组成的合成CFW可以获得超高分辨率成像。该项工作为克服成像和传感应用中等离子体系统的固有损耗提供了一个实用的解决方案。相关研究成果以“Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency”为题发表在国际著名期刊Science上。

三、【核心创新点】

该项工作在实验上实现虚拟增益并观察深亚波长图像，为克服成像和传感应用中等离子体系统的固有损耗提供了一个实用的解决方案。

四、【数据概览】

图1.基于合成CFW超成像透镜损耗补偿示意图©2023 Science

图2 在微波频率时，在双曲透镜的超成像中损耗补偿的实验演示©2023 Science

图3频率点数对成像质量影响的研究©2023 Science

图4在使用SiC超透镜中红外成像的损耗补偿的实验研究©2023 Science

五、【成果启示】

该项研究提出了一种补偿双曲超材料和SiC超成像透镜固有损耗的方法，通过多频方法合成复频率激励，提高了成像分辨率，超出了系统阻尼的限制。该方法成功地克服了在时域实验中实现CFW的挑战，包括需要精确的CFW合成和达到准稳态后的时间门控测量，并且在高分辨率显微镜中具有很大的潜力。此外，合成复频率方法可以扩展到其他光学领域，如等离子体传感应用。通过利用等离子体结构的增强质量因子，该方法有可能大大提高传感应用的灵敏度。此外，该方法可以针对不同的系统和几何形状进行定制，为提高光学性能提供了灵活和通用的工具。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adi1267

本文由小艺撰稿