Les physiciens de HKU développent une technologie optique de nouvelle génération en utilisant une méthode d’onde de fréquence complexe synthétique pour élever la qualité d’imagerie à un niveau supérieur

RAS DE HONG KONG – Sensibilisation des médias – Une équipe de recherche dirigée par le professeur Shuang ZHANG, responsable du département de physique de l’Université de Hong Kong (HKU), en partenariat avec le National Center for Nanoscience Science and Technology, Imperial College London, et l’Université de Californie, Berkeley, conjointement a proposé la Wave Approach Synthetic Complex Frequency (CFW), qui utilise le gain virtuel pour compenser les pertes inhérentes aux systèmes optiques. Réussi à augmenter la résolution d’imagerie des lentilles métalliques d’environ un ordre de grandeur. Les résultats de ses recherches viennent d’être publiés dans la revue scientifique faisant autorité Science.

L’imagerie joue un rôle important dans de nombreux domaines tels que la biologie, la médecine et la science des matériaux. Les microscopes optiques utilisent la lumière pour obtenir des images de petits objets. Cependant, les microscopes conventionnels ne peuvent résoudre les tailles des caractéristiques que sur la base de l’ordre de la meilleure longueur d’onde optique, à savoir la limite de diffraction.

Pour surmonter la limite de diffraction, Sir John Pendry de l’Imperial College de Londres a proposé en 2000 le concept théorique d’une super lentille constituée de milieux à indice de réfraction négatif ou de métaux précieux tels que l’argent. De plus, le professeur Xiang ZHANG, actuel chancelier de l’Université de Hong Kong, et son équipe de l’Université de Californie à Berkeley, prennent les devants dans la réalisation d’expérimentations optiques sur les métallènes, ce qui favorise grandement le développement et l’application de la technologie des métallènes. Depuis lors, des scientifiques de divers pays ont consacré de plus en plus de ressources à la recherche sur les métaux, ce qui en fait un sujet brûlant dans le domaine de l’optique. Cependant, la perte de métalense intrinsèquement a toujours été un problème majeur dans ce domaine, ce qui limite l’amélioration de la résolution d’imagerie.

La perte optique a été un facteur limitant majeur limitant le développement de la nanophotonique au cours des trois dernières décennies. De nombreuses applications, y compris la détection, la superimagerie et les circuits nanophotoniques, bénéficieront grandement de la résolution de ce problème.

“Pour résoudre certains problèmes de perte optique importants et pratiques, nous proposons une solution – l’utilisation d’une nouvelle onde d’excitation complexe synthétique est utilisée pour obtenir un gain virtuel, puis compenser les inconvénients inhérents au système optique. Afin de prouver la faisabilité de cette méthode, nous l’avons appliquée à un mécanisme d’imagerie à lentilles métalliques, qui augmente théoriquement la résolution de l’image de manière significative », a déclaré le professeur Shuang Zhang, auteur correspondant de l’article et chef par intérim du département de physique de HKU, expliquant l’objet de la recherche. .

« Nous avons en outre démontré notre théorie en menant des expériences à l’aide d’une hyperlentille constituée d’un métamatériau hyperbolique dans la gamme des fréquences micro-ondes et d’un métamatériau polaritonique dans la gamme des fréquences optiques. Comme prévu, nous avons obtenu de très bons résultats d’imagerie conformes à nos prédictions théoriques », a ajouté le Dr Fuxin GUAN, premier auteur de l’article et boursier postdoctoral à HKU.

La multifréquence intègre une méthode d’onde de fréquence complexe pour surmonter la perte optique

Dans cette étude, les chercheurs ont introduit une nouvelle approche à double fréquence pour traiter l’impact négatif de la perte sur la superimagerie. Des ondes de fréquence complexes peuvent être utilisées pour fournir un gain virtuel afin de compenser les pertes dans les systèmes optiques. Qu’est-ce que la fréquence complexe La fréquence d’une onde fait référence à la vitesse à laquelle l’onde oscille dans le temps. Il est naturel de considérer la fréquence comme un nombre réel. Il est intéressant de noter que le concept de fréquence peut être étendu au domaine complexe, où la partie imaginaire de la fréquence a également une signification physique bien définie, c’est-à-dire la vitesse à laquelle l’onde s’amplifie ou décroît dans le temps.

Par conséquent, pour les ondes à fréquence complexe, l’oscillation et l’amplification de l’onde se produisent simultanément. Pour les fréquences complexes avec une partie imaginaire négative (positive), l’onde se désintégrera (s’amplifiera) avec le temps. Bien sûr, l’onde complexe idéale n’est pas physique car elle va dévier au cours du temps vers l’infini positif ou négatif, selon le signe de la partie imaginaire. Par conséquent, toute implémentation réaliste d’ondes de fréquence complexes doit être découpée dans le temps pour éviter la divergence. Des mesures optiques directes basées sur des ondes de fréquence complexes devraient être effectuées dans le domaine temporel et cela impliquerait des mesures temporelles compliquées et n’a donc pas été réalisée expérimentalement jusqu’à présent.

L’équipe a utilisé l’outil mathématique Fourier Transform pour décomposer le CFW tronqué en plusieurs composants avec différentes fréquences apparentes, ce qui facilite grandement la mise en œuvre du CFW pour diverses applications, telles que la superimagerie. En effectuant des mesures optiques à plusieurs fréquences réelles à intervalles fixes, il est possible de construire la réponse optique de systèmes à fréquences complexes en combinant mathématiquement des fréquences réelles.

Comme preuve de concept, l’équipe a commencé par la superimager à des fréquences micro-ondes à l’aide d’un métamatériau hyperbolique. Les métamatériaux hyperboliques peuvent transporter des ondes avec de très grands vecteurs d’onde (ou l’équivalent de très petites longueurs d’onde), qui sont capables de transmettre des informations avec de très petites tailles de caractéristiques. Cependant, plus le vecteur d’onde est grand, plus il est sensible à la perte optique. Par conséquent, en présence de perte, les informations provenant de petites tailles d’entités seront perdues lors de la propagation dans le métamatériau hyperbolique. Les chercheurs ont démontré qu’en combinant avec précision des images floues mesurées à différentes fréquences apparentes, des images claires à des fréquences complexes sont formées avec une résolution en longueur d’onde profonde.

L’équipe a ensuite étendu ce principe aux fréquences optiques, en utilisant une superlentille optique constituée d’un cristal phononique appelé carbure de silicium, qui fonctionne à une longueur d’onde infrarouge lointaine d’environ 10 micromètres. Dans les cristaux phononiques, les vibrations du réseau peuvent se coupler à la lumière pour créer des effets de superimagerie. Cependant, la perte reste un facteur limitant de la résolution spatiale. Bien que la résolution spatiale de l’imagerie à toutes les fréquences réelles soit limitée par la perte, comme le montrent les images floues des fosses à l’échelle nanométrique, une imagerie à très haute résolution peut être obtenue avec des CFW synthétisés, qui sont composés de plusieurs composants de fréquence.

« Cette recherche a fourni une solution pour surmonter la perte optique dans les systèmes optiques, un problème de longue date en nanophotonique. La méthode de fréquence complexe synthétisée peut facilement être étendue à d’autres applications, y compris la détection moléculaire et les circuits intégrés nanophotoniques », a déclaré le professeur Xiang ZHANG, un autre auteur de l’article, président et vice-chancelier de HKU, et également président de la physique et de l’ingénierie.

Il considère cela comme une méthode exceptionnelle et universellement applicable : « Elle peut être exploitée pour surmonter les pertes dans d’autres systèmes d’ondes, y compris les ondes sonores, les ondes élastiques et les ondes quantiques, élevant la qualité de l’imagerie à des niveaux supérieurs.

« Cette méthode de synthèse d’ondes à fréquences multiples est une technique pratique pour surmonter la perte inhérente des systèmes photoniques. Cette méthode est non seulement supérieure dans l’imagerie des lentilles métalliques, mais également extensible à d’autres domaines optiques, tels que la détection moléculaire des polaritons et des guides d’ondes. Cela offre un moyen potentiel d’améliorer les performances optiques multibandes et de concevoir des puces photoniques intégrées à haute densité. de Hong Kong, a déclaré que la nouvelle méthode a une large applicabilité, a déclaré: “Cette méthode peut être étendue à d’autres systèmes d’ondes, tels que les ondes acoustiques, les ondes élastiques et les ondes quantiques, pour résoudre le problème de la perte de lumière et élever la qualité de l’image à un autre niveau. »

Cette recherche a été soutenue par la New Cornerstone Science Foundation et le Hong Kong Research Grants Council.

Document de recherche : « Surmonter la perte de superlentilles avec des ondes synthétiques à fréquence complexe », Science.

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