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(zhǎng)級(jí)別的微觀結(jié)構(gòu)和生物分子的更好觀測(cè)，對(duì)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(guó)帝國(guó)理工學(xué)院John Pendry爵士首次提出了超透鏡的概念，并預(yù)測(cè)其具有突破傳統(tǒng)光學(xué)成像分辨率極限的能力。隨后，中國(guó)科學(xué)院外籍院士張翔團(tuán)隊(duì)率先提出了新型銀-聚合物超透鏡的實(shí)驗(yàn)方案，極大推動(dòng)了超透鏡技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。自此以后，各國(guó)科學(xué)家紛紛加大對(duì)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(chǎng)景。然而，超透鏡的光學(xué)損耗一直是該領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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)教授張霜-張翔院士團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員戴慶團(tuán)隊(duì)以及John Pendry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(lái)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(jì)合成復(fù)頻波的超透鏡。

戴慶課題組近年來(lái)長(zhǎng)期研究提升光與物質(zhì)相互作用能力，探索原子制造技術(shù)下高壓縮的極化激元材料和器件設(shè)計(jì)，在近場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，因此為光頻段極化激元超透鏡的設(shè)計(jì)奠定了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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(gè)量級(jí)的提升，有望對(duì)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)域有卓越表現(xiàn)，還可以擴(kuò)展到光學(xué)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(duì)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(jì)高密度集成光子芯片等方向提供了一條潛在途徑。

8月18日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。上述研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米前沿重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

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合成復(fù)頻波方法提升超透鏡成像質(zhì)量的原理示意圖