利用極化激元材料和超構(gòu)材料構(gòu)筑的超透鏡能夠超越傳統(tǒng)光學(xué)成像分辨率的極限，實(shí)現(xiàn)亞波長級別的微觀結(jié)構(gòu)和生物分子的更好觀測，對物理芯片、化學(xué)材料和生命科學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛而革命性的影響。2000年，英國帝國理工學(xué)院的John Pendry爵士首次提出了超透鏡的概念，并預(yù)測其具有突破傳統(tǒng)光學(xué)成像分辨率極限的能力。緊隨其后，中國科學(xué)院外籍院士張翔教授團(tuán)隊(duì)率先提出了新型銀-聚合物超透鏡的實(shí)驗(yàn)方案，極大地推動了超透鏡技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。自此以后，各國科學(xué)家紛紛加大對超透鏡的研究投入，成為光學(xué)領(lǐng)域的熱門課題，并被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、光纖通信、光學(xué)成像等場景。然而，超透鏡的光學(xué)損耗一直是該領(lǐng)域長期存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，限制了成像分辨率的進(jìn)一步提升。

 為了解決這一挑戰(zhàn)，香港大學(xué)的張霜教授-張翔院士團(tuán)隊(duì)與國家納米科學(xué)中心的戴慶研究員團(tuán)隊(duì)以及帝國理工學(xué)院的John Pendry爵士團(tuán)隊(duì)合作提出了一種實(shí)用的解決方案，借助多頻率組合的復(fù)頻波方法激發(fā)來獲得虛擬增益，進(jìn)而抵消光學(xué)體系的本征損耗，獲得更高質(zhì)量的超透鏡成像分辨率。為了驗(yàn)證此理論的有效性，合作團(tuán)隊(duì)分別從微波頻段和光頻段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計合成復(fù)頻波的超透鏡。

 戴慶課題組近年來長期研究提升光與物質(zhì)相互作用能力(Nat. Nanotechnol., 2023, 18, 529)，探索原子制造技術(shù)下高壓縮的極化激元材料(Nat. Mater., 2021, 20, 43)和器件設(shè)計(Science, 2023, 379, 558)，在近場光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此為光頻段極化激元超透鏡的設(shè)計奠定了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

 進(jìn)而，戴慶課題組與合作者深入研討后，創(chuàng)制了基于合成復(fù)頻波的碳化硅聲子極化激元超透鏡，實(shí)現(xiàn)了超透鏡成像的分辨率約一個量級的提升，這將對光學(xué)成像領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。因此，合成復(fù)頻波方法是一種克服光子學(xué)系統(tǒng)本征損耗的實(shí)用技術(shù)，不僅在超透鏡成像領(lǐng)域有卓越的表現(xiàn)，還可以擴(kuò)展到光學(xué)的其他領(lǐng)域，例如極化激元分子傳感和波導(dǎo)器件等。該方法還可以針對不同的系統(tǒng)和幾何形狀進(jìn)行定制化應(yīng)用，為提高多頻段光學(xué)性能、設(shè)計高密度集成光子芯片等方向提供了一條潛在的途徑。

      8月18日，相關(guān)研究成果以Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency為題，在線發(fā)表在Science期刊。國家納米科學(xué)中心戴慶研究員，帝國理工學(xué)院John Pendry爵士和香港大學(xué)張翔院士、張霜教授為該文章的共同通訊作者，香港大學(xué)博士后管福鑫、國家納米科學(xué)中心特別研究助理郭相東和香港大學(xué)博士研究生曾可博為共同一作。上述研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃納米前沿重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

       論文鏈接: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1267

合成復(fù)頻波方法提升超透鏡成像質(zhì)量的原理示意圖 

新聞鏈接：http://www.nanoctr.cn/zytp2017/202308/t20230817_6862486.html

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