采用复频波克服超透镜中的光学损耗

香港大学物理学系张霜教授领导的研究团队，与英国国家纳米科学与技术中心、伦敦帝国理工学院和加州大学伯克利分校合作，提出了一种新的合成复频波(CFW)方法，以解决超成像演示中的光学损耗问题。研究成果最近发表在《科学》杂志上。

成像在生物学、医学和材料科学等许多领域都发挥着重要作用。光学显微镜利用光线获取微小物体的成像，但传统显微镜最多只能分辨光学波长大小的特征尺寸，即衍射极限。

为了克服衍射的限制，伦敦帝国理工学院的John Pendry爵士提出了超透镜的概念，这种透镜可以由负折射率介质或贵金属如银制成。随后，港大现任校长张翔教授与他当时在加州大学伯克利分校的团队，通过实验证明了使用银薄膜和银/介电多层堆叠的超成像。

合成复频波克服超透镜中的光学损耗示意图

这些工作广泛地推动了超透镜技术的发展和应用，但所有的超透镜都不可避免地存在光损耗，光损耗将光能转化为热能，这极大地影响了超成像透镜等依赖于光波传递信息的光学器件的性能。

光损耗是过去三十年来制约纳米光子学发展的主要限制因素，如果这个问题能够得到解决，许多应用，包括传感、超成像和纳米光子电路，都将受益匪浅。

论文通讯作者张霜教授解释了研究重点：“为了解决一些重要应用中的光学损耗问题，我们提出了一种实用的解决方案——使用一种新的合成复波激发来获得虚拟增益，然后抵消光学系统的固有损耗。作为验证，我们将这种方法应用于超透镜成像机制，理论上显著提高了成像分辨率。”

该论文的第一作者、港大博士后关福新博士补充道：“我们进一步证明了我们的理论，使用微波频率范围内的双曲线超材料，光学频率范围内的偏振子超材料制成的超透镜，并进行了实验。正如预期的那样，获得了与我们的理论预测一致的出色的成像结果”。

多频率克服光损耗的方法

在本研究中，研究人员提出了一种新的多频率方法来克服损耗对超成像的负面影响。复频波可以用来提供虚拟增益来补偿光学系统中的损耗。

图2.波的电场分布在实频（a）、复频（b）和截断复频（c）中。由多个实频的线性组合合成的截断复频率波（d）。