图1：超透镜中实频和合成复频激励下的成像示意图。当同一物体在不同的实频照明下通过超级透镜成像时，会产生具有不同模糊度的图像，并且没有一个实频图像能够辨别物体的真实外观。通过组合多个单频图像的场振幅和相位，最终可以获得清晰的图像。
由香港大学(港大)物理系Shuang Zhang教授领导的一个合作研究小组，与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率波(CFW)方法来解决超成像演示中的光学损耗。这项研究结果最近发表在Science上。
成像在许多领域发挥着重要作用，包括生物学、医学和材料科学。光学显微镜利用光来获得微小物体的成像。然而，传统的显微镜最多只能分辨出光波长顺序的特征尺寸，即衍射极限。
为了克服衍射极限，伦敦帝国理工学院的Sir John Pendry提出了超透镜的概念，这种超透镜可以用负折射率介质或银等贵金属制成。随后，港大现任校长兼副校长Xiang Zhang教授与他当时在加州大学伯克利分校的团队，实验展示了利用银薄膜和银/介电多层堆叠的超成像技术。
这些工作广泛地促进了超透镜技术的发展和应用。不幸的是，所有的超级透镜都有不可避免的光学损耗，将光能转化为热能。这极大地影响了光学设备的性能，例如依赖于光波携带信息的超成像透镜。
近三十年来，光损耗一直是制约纳米光子学发展的主要制约因素。如果这个问题能够得到解决，包括传感、超级成像和纳米光子电路在内的许多应用都将受益匪浅。
论文通讯作者Shuang Zhang教授解释了研究重点:“为了解决一些重要应用中的光损耗问题，我们提出了一种实用的解决方案——利用一种新型的合成复波激励来获得虚增益，然后抵消光学系统的本征损耗。作为验证，我们将这种方法应用于超透镜成像机制，理论上显着提高了成像分辨率。”
“我们通过使用微波频率范围内的双曲超材料和光学频率范围内的极化超材料制成的超透镜进行实验，进一步证明了我们的理论。正如预期的那样，我们获得了与理论预测一致的出色成像结果，”该论文的第一作者Fuxin Guan博士补充说。
克服光损耗的多频方法
图2：实频率(a)、复频率(b)和截断复频率(c)中的波的电场图。通过多个实频率(d)的线性组合合成的截断复频波。
在这项研究中，研究人员提出了一种新的多频方法来克服损失对超成像的负面影响。复频率波可以用来提供虚拟增益来补偿光学系统中的损耗。
复频率是什么意思?波的频率是指它在时间上振荡的速度，如图2a所示。把频率看作实数是很自然的。有趣的是，频率的概念可以扩展到复域，其中频率的虚部也具有明确的物理含义，即波在时间上放大或衰减的速度有多快。因此，对于复频率波，波的振荡和放大同时发生。
对于虚部为负(正)的复频率，波随时间衰减(放大)，如图2b所示。当然，一个理想的复波不是物理的，因为当时间趋近于正无穷或负无穷时，它会发散，这取决于它的虚部的符号。因此，任何实际实现的复频率波都需要及时截断，以避免发散(见图2c)。直接基于复频波的光学测量需要在时域内进行，涉及复杂的时门控测量，因此迄今尚未在实验中实现。
该团队利用数学工具傅里叶变换将截断的CFW分解为不同实际频率的许多分量(见图2d)，极大地促进了CFW在各种应用中的实现，例如超成像。通过在固定间隔的多个实频率上进行光学测量，可以通过数学组合实频率的光学响应来构建系统在复频率上的光学响应。
图3：字母“H”的多个实频和复频成像模式
作为概念的证明，该团队开始使用双曲超材料在微波频率下进行超成像。双曲型超材料可以携带具有非常大的矢量(或等效的非常小的波长)的波，这能够传输非常小的特征尺寸的信息。然而，波矢量越大，波对光损耗越敏感。
因此，在存在损耗的情况下，这些小特征尺寸的信息在双曲超材料内部的传播过程中会丢失。研究人员表明，通过将不同实频率下测量的模糊图像进行适当组合，可以形成复频率下的清晰图像，分辨率为深亚波长，如图3所示。
该团队进一步将原理扩展到光学频率，使用由称为碳化硅的声子晶体制成的光学超级透镜，该透镜在大约10微米的远红外波长下工作。在声子晶体中，晶格振动可以与光耦合以产生超成像效果。然而，损耗仍然是空间分辨率的限制因素。
“这项工作为克服光学系统中的光学损耗提供了一个解决方案，这是纳米光子学中一个长期存在的问题。合成的复频率方法可以很容易地扩展到其他应用，包括分子传感和纳米光子集成电路，”论文的另一位通讯作者xiang zhang教授说。
他称赞这是一种非凡的、普遍适用的方法，“这可以用来解决其他波系统的损失，包括声波、弹性波和量子波，将成像质量提升到一个新的高度。”
原标题：物理学家利用合成复频波来克服超透镜中的光学损耗
