由香港大學物理系臨時系主任張爽教授和中國國家納米科學與技術(shù)中心的戴清教授共同領導的一個研究小組提出了納米光子學領域一個常見問題的解決方案--在極小尺度上研究光。他們的研究成果最近發(fā)表在著名學術(shù)期刊《自然·材料》上，提出了一種合成復頻波（CFW）方法來解決偏振子傳播中的光損耗問題。

這些研究成果提供了實用的解決方案，如在計算機芯片和數(shù)據(jù)存儲設備等設備中使用更高效的光基設備，以實現(xiàn)更快、更緊湊的數(shù)據(jù)存儲和處理，并提高傳感器、成像技術(shù)和安全系統(tǒng)的精度。

圖片:8fd4984ef8bf4e1a95e29824dc00af6a~noop.jpg

表面等離子體極化子和聲子極化子具有高效儲能、局部場增強和高靈敏度等優(yōu)點，這得益于它們在小尺度上限制光的能力。然而，它們的實際應用卻受到歐姆損耗問題的阻礙，歐姆損耗會在與天然材料相互作用時導致能量耗散。

圖片:f5a81d1c25168382101ff30edcabe368~noop.png

雙曲聲子極化子和橢圓聲子極化子在α-MoO3 薄膜上的傳播。(a) 在 α-MoO3 薄膜上放置天線的原子力顯微鏡。(b) 在不同實際頻率下測量雙曲極化子的實際頻率。(c) 復頻測量提供了超長距離傳播行為。(d) 兩個不同間距金天線的原子力顯微鏡。(e) 實際頻率 f=990cm-1 時的振幅和實部測量值。(f) 復頻 f=(990-2i)cm-1 時的振幅和實部測量值。

過去三十年來，這一限制阻礙了用于傳感、超成像和納米光子電路的納米光子學的發(fā)展�？朔�歐姆損耗將大大提高器件性能，從而推動傳感技術(shù)、高分辨率成像和先進納米光子電路的發(fā)展。

論文通訊作者張爽教授解釋了研究重點："為了解決關鍵應用中的光損耗難題，我們提出了一種實用的解決方案。通過采用新穎的合成復波激勵，我們可以實現(xiàn)虛擬增益，抵消極化子系統(tǒng)的內(nèi)在損耗。為了驗證這種方法，我們將其應用于聲子極化子傳播系統(tǒng)，并觀察到極化子傳播的顯著改善。"

"我們使用聲子極化子材料（如氫化硼和氧化鉬）在光學頻率范圍內(nèi)進行實驗，證明了這種方法。正如預期的那樣，我們獲得了幾乎無損的傳播距離，這與理論預測一致，"論文第一作者、香港大學物理系博士后關復新博士補充道。

克服光損耗的多頻方法

在這項研究中，研究小組開發(fā)了一種新穎的多頻方法來解決偏振子傳播中的能量損耗問題。他們使用一種被稱為"復頻波"的特殊類型波來實現(xiàn)虛擬增益并補償光學系統(tǒng)中的損耗。普通波在一段時間內(nèi)保持恒定的振幅或強度，而復頻波則同時表現(xiàn)出振蕩和放大。這種特性可以更全面地表現(xiàn)波的行為，并能補償能量損失。

雖然頻率通常被視為實數(shù)，但它也有虛部。這個虛部告訴我們，隨著時間的推移，波是如何變強或變?nèi)醯摹＞哂胸摚ㄕ�）虛部的復頻波會隨著時間的推移而衰減（放大）。然而，在光學中直接進行復頻波激勵下的測量具有挑戰(zhàn)性，因為它需要復雜的時序測量。為了克服這一難題，研究人員采用了傅里葉變換數(shù)學工具，將截斷的復頻波（CFW）分解為具有獨立頻率的多個分量。

就像您在烹飪時需要一種很難找到的特定配料一樣，研究人員也采用了類似的思路。他們將復雜的頻率波分解成更簡單的成分，就像在菜譜中使用替代配料一樣。每個成分代表了頻率波的不同方面。這就像通過使用替代配料來制作一道美味佳肴，從而獲得所需的風味。通過測量不同頻率下的這些分量并將數(shù)據(jù)結(jié)合起來，他們重建了復頻波照射下的系統(tǒng)行為。這有助于他們理解和補償能量損失。這種方法大大簡化了 CFW 在不同應用中的實際應用，包括極化子傳播和超成像。通過在固定間隔的不同實際頻率下進行光學測量，就可以構(gòu)建出系統(tǒng)在復頻下的光學響應。這可以通過對不同實際頻率下獲得的光學響應進行數(shù)學組合來實現(xiàn)。

該論文的另一位通訊作者、國家納米科學與技術(shù)中心的戴清教授指出，這項工作為解決納米光子學中存在已久的光損耗問題提供了切實可行的解決方案。他強調(diào)了合成復頻方法的重要意義，指出該方法可輕松應用于分子傳感和納米光子集成電路等其他各種應用。他進一步強調(diào)說："這種方法非常了不起，而且普遍適用，因為它還可以用來解決其他波系統(tǒng)的損耗問題，包括聲波、彈性波和量子波，從而將成像質(zhì)量提高到前所未有的水平。"