克服光学损耗的新方法

由香港大学物理系临时系主任张爽教授和中国国家纳米科学与技术中心的戴清教授共同领导的一个研究小组提出了纳米光子学领域一个常见问题的解决方案--在极小尺度上研究光。他们的研究成果最近发表在著名学术期刊《自然·材料》上，提出了一种合成复频波（CFW）方法来解决偏振子传播中的光损耗问题。

这些研究成果提供了实用的解决方案，如在计算机芯片和数据存储设备等设备中使用更高效的光基设备，以实现更快、更紧凑的数据存储和处理，并提高传感器、成像技术和安全系统的精度。

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表面等离子体极化子和声子极化子具有高效储能、局部场增强和高灵敏度等优点，这得益于它们在小尺度上限制光的能力。然而，它们的实际应用却受到欧姆损耗问题的阻碍，欧姆损耗会在与天然材料相互作用时导致能量耗散。

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双曲声子极化子和椭圆声子极化子在α-MoO3 薄膜上的传播。(a) 在 α-MoO3 薄膜上放置天线的原子力显微镜。(b) 在不同实际频率下测量双曲极化子的实际频率。(c) 复频测量提供了超长距离传播行为。(d) 两个不同间距金天线的原子力显微镜。(e) 实际频率 f=990cm-1 时的振幅和实部测量值。(f) 复频 f=(990-2i)cm-1 时的振幅和实部测量值。

过去三十年来，这一限制阻碍了用于传感、超成像和纳米光子电路的纳米光子学的发展。克服欧姆损耗将大大提高器件性能，从而推动传感技术、高分辨率成像和先进纳米光子电路的发展。

论文通讯作者张爽教授解释了研究重点："为了解决关键应用中的光损耗难题，我们提出了一种实用的解决方案。通过采用新颖的合成复波激励，我们可以实现虚拟增益，抵消极化子系统的内在损耗。为了验证这种方法，我们将其应用于声子极化子传播系统，并观察到极化子传播的显著改善。"

"我们使用声子极化子材料（如氢化硼和氧化钼）在光学频率范围内进行实验，证明了这种方法。正如预期的那样，我们获得了几乎无损的传播距离，这与理论预测一致，"论文第一作者、香港大学物理系博士后关复新博士补充道。

克服光损耗的多频方法

在这项研究中，研究小组开发了一种新颖的多频方法来解决偏振子传播中的能量损耗问题。他们使用一种被称为"复频波"的特殊类型波来实现虚拟增益并补偿光学系统中的损耗。普通波在一段时间内保持恒定的振幅或强度，而复频波则同时表现出振荡和放大。这种特性可以更全面地表现波的行为，并能补偿能量损失。

虽然频率通常被视为实数，但它也有虚部。这个虚部告诉我们，随着时间的推移，波是如何变强或变弱的。具有负（正）虚部的复频波会随着时间的推移而衰减（放大）。然而，在光学中直接进行复频波激励下的测量具有挑战性，因为它需要复杂的时序测量。为了克服这一难题，研究人员采用了傅里叶变换数学工具，将截断的复频波（CFW）分解为具有独立频率的多个分量。

就像您在烹饪时需要一种很难找到的特定配料一样，研究人员也采用了类似的思路。他们将复杂的频率波分解成更简单的成分，就像在菜谱中使用替代配料一样。每个成分代表了频率波的不同方面。这就像通过使用替代配料来制作一道美味佳肴，从而获得所需的风味。通过测量不同频率下的这些分量并将数据结合起来，他们重建了复频波照射下的系统行为。这有助于他们理解和补偿能量损失。这种方法大大简化了 CFW 在不同应用中的实际应用，包括极化子传播和超成像。通过在固定间隔的不同实际频率下进行光学测量，就可以构建出系统在复频下的光学响应。这可以通过对不同实际频率下获得的光学响应进行数学组合来实现。

该论文的另一位通讯作者、国家纳米科学与技术中心的戴清教授指出，这项工作为解决纳米光子学中存在已久的光损耗问题提供了切实可行的解决方案。他强调了合成复频方法的重要意义，指出该方法可轻松应用于分子传感和纳米光子集成电路等其他各种应用。他进一步强调说："这种方法非常了不起，而且普遍适用，因为它还可以用来解决其他波系统的损耗问题，包括声波、弹性波和量子波，从而将成像质量提高到前所未有的水平。"