超透鏡能夠超越傳統光學成像分辨率的極限，實現亞波長級別的微觀結構和生物分子的更好觀測。然而，超透鏡的本征損耗一直是該領域長期存在的關鍵科學問題，限制了成像分辨率的進一步提升。
近日，來自香港大學、國家納米科學中心和英國帝國理工學院等機構的研究人員密切合作，提出了多頻率組合復頻波激發超透鏡成像理論機制，通過虛擬增益來抵消本征損耗，成功提高了超透鏡的成像分辨率約一個量級。該研究成果于8月18日在《科學》雜志上在線發表。
“超透鏡”概念最早由英國帝國理工學院教授John Pendry于2000年首次提出。根據理論預測，超透鏡將具有突破傳統光學成像分辨率極限的能力。隨后，為實現超透鏡構想，中國科學院外籍院士、香港大學教授張翔團隊率先提出了新型銀-聚合物超透鏡的實驗方案，極大推動了超透鏡技術的發展和應用。此后，各國科學家紛紛加大研究投入，超透鏡迅速成為光學領域的熱門課題，并被廣泛應用于生物醫學、光纖通信、光學成像等場景。
合成復頻波方法提升超透鏡成像質量的原理示意圖（研究團隊供圖）
目前，基于極化激元材料和超構材料的超透鏡已被廣泛驗證可以實現亞衍射成像，但其本征損耗的嚴重限制了其分辨率進一步提升，從而也限制了其應用發展。
為了解決這一重大挑戰，由香港大學教授張霜、張翔、國家納米科學中心研究員戴慶以及John Pendry組成國際科研團隊開展聯合攻關。
在最新發表的論文中，張霜介紹：“針對光學損耗提出一種實用的解決方案，即借助多頻率組合的復頻波激發來獲得虛擬增益，進而抵消光學體系的本征損耗。”
作為驗證，他們把這一方案運用到超透鏡成像機制，理論上實現了成像分辨率的顯著提升。最后，進一步借助微波頻段雙曲超構材料的超透鏡實驗進行了論證，獲得與理論預期一致的良好成像效果。
戴慶團隊基于長期對原子制造技術下的高動量極化激元的積累，創制了基于合成復頻波的碳化硅聲子極化激元超透鏡。“我們最終實現了超透鏡成像分辨率約一個量級的提升，相信這將對光學成像領域產生巨大影響。”戴慶表示。
科研人員介紹，合成復頻波技術是一種克服光子學系統本征損耗的實用方法，不僅在超透鏡成像領域有卓越的表現，還可以擴展到光學的其他領域，包括極化激元分子傳感和波導器件等。該方法還可以針對不同的系統和幾何形狀進行定制化應用，為提高多頻段光學性能、設計高密度集成光子芯片等方向提供了一條潛在的途徑。
“這是一個優美而普適的方法，可以拓展到其它波動體系來彌補損耗問題，如聲波、彈性波以及量子波等。”張翔說。
香港大學博士后管福鑫、國家納米科學中心特別研究助理郭相東和香港大學博士生曾可博為本文共同一作。張霜、張翔、戴慶和John Pendry為本文共同通訊作者。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adi1267
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