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由等离子体材料和超材料制成的超透镜可以在亚衍射尺度上成像。然而，固有损耗严重限制了成像分辨率，这一问题阻碍了超透镜的广泛应用。复杂频率的光波表现出时间衰减行为，已经提出通过引入虚拟增益来抵消超透镜的本征损失，但由于具有时间衰减的成像测量困难，一直缺乏实验实现。

2023年8月17日，香港大学张霜、张翔、英国伦敦帝国理工学院John Pendry及国家纳米中心戴庆共同通讯在Science在线发表题为“Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency”的研究论文，该研究提出了一种基于实际频率测量的多频方法来构建复频率的合成激励波。这种方法允许在实验上实现虚拟增益并观察深亚波长图像。该研究为克服成像和传感应用中等离子体系统的固有损耗提供了一个实用的解决方案。

在传统的光学成像中，阿贝衍射将特征尺寸的分辨率限制在波长的一半以上。这个极限是由于由倏逝波所携带的亚波长信息的损失。为了克服这一限制，已经提出了一种负折射率透镜来增强倏逝波，以恢复成像的深亚波长分辨率。随后，由负介电常数的天然材料或沿不同方向具有混合介电常数符号的双曲材料制成的超透镜已经被提出，以实现亚衍射限制成像。然而，负参数材料的损耗是不可忽略的，这会降低超透镜的深亚波长信息，严重影响成像分辨率。

为了弥补这些损失，有人提出增益材料可以纳入超材料设计或等离子体，但设置是极其复杂的，增益将不可避免地引入不稳定和噪声到系统中。有人提出，具有时间增长或衰减行为的复频率波(CFWs)可以提供虚吸收或虚增益。已经提出了一些理论建议，通过激发具有时间衰减的CFWs来恢复表面等离子体携带的深亚波长信息。然而，从实际应用的角度来看，合成CFWs在光学系统中具有挑战性。

合成CFWs超像透镜损耗补偿示意图（图源自Science ）

为了解决这一挑战，作者使用多频率方法合成了CFW信号。作者利用了这样一个事实，即截断的CFW可以通过傅里叶变换表示为多个频率分量的组合，其系数遵循洛伦兹谱线形状。在多个实际频率下进行了测量，并根据洛伦兹线形将不同频率下的测量场图组合在一起，数值合成了CFW照明下的场分布。作为概念证明，在光学频率下工作的SiC板和在微波频率下工作的大块双曲超材料都被用作超级透镜。研究发现，尽管由于这些系统中不可避免的材料损耗，在实频率下成像的空间分辨率很差，但由多个频率分量组成的合成CFWs可以获得超高分辨率成像。该研究有可能大大提高传感应用的灵敏度，并且可以针对不同的系统和几何形状进行定制，为提高光学性能提供了灵活和通用的工具。

原文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adi1267

转自：“iNature”微信公众号

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