新型水基光學器件將徹底改變光學研究領域

　　線本質上是多用途的。換句話說，當穿過不同類型的材料時，它顯示出不同的特性。科學家已經在各種技術中探索了此特性，但是需要控制光與材料交互的方式以獲得所需的效果。這可以使用稱為光調制器的特殊設備完成，該設備具有修改光屬性的能力。當電場施加到光傳播的介質上時，就會看到一種稱為普克爾斯效應的特性。通常，光在撞擊任何介質時都會“彎曲”，但是在普克爾效應下，介質的折射率（光彎曲程度的度量）與施加的電場成比例地變化。這種效應在光學工程中有多種應用，例如在光學通信、顯示器和電傳感器中。但是，還不清楚這種效應在不同材料中如何發生，因此很難充分挖掘其潛力。

使用界面Pockels效應提取光調制。

　　在OSA Continuum上發表的一項突破性研究中，一組由東京科學大學的德永英治教授領導的科學家團隊，包括山山大輔、瀨戶敬介、山下京平、全田義平（全東京科學大學）和小林隆佳（電子通信大學和國立交通大學）揭示了新型光調制器中的普克爾斯效應機理。直到最近，僅在一種特殊類型的晶體中觀察到了這種效果，這種晶體價格昂貴，因此難以使用。十二年前，德永教授及其團隊首次在接觸水的頂層（也稱為界面層）中觀察到了這種效應，而這種現象在大部分水中是看不到的。帶有電極對于試圖制造簡單的光學設備的科學家顯示出一線希望。盡管Pockels系數（對Pockels效應的度量）大了一個數量級，但事實證明，由于這種效應僅在薄的界面層中產生，因此需要一個高靈敏度的檢測器。而且，甚至其機理也沒有被清楚地理解，這使該過程更加復雜。德永教授和他的團隊想找到一個解決方案，在經歷了多次試驗和錯誤之后，他們終于成功了。在談論他的研究動機時，德永教授說：“很難以水為介質來測量電光信號，因為它僅在薄層中發生。因此，我們想找到一種從電信號中提取大信號的方法。這種介質，不需要進行高靈敏度的測量，并且更易于使用。”

　　為此，科學家創建了一個在水中玻璃表面上帶有透明電極的裝置，并對其施加了電場。界面層（也稱為雙電層或EDL）只有幾納米厚，并且顯示出與其余水不同的電化學特性。它也是水的唯一部分，在電場作用下可以觀察到普克爾效應。科學家使用全反射的概念在水和電極之間的界面處創建了一個大角度。他們觀察到，當光穿過電極并進入EDL時，兩層折射率的變化都會改變反射信號。由于透明電極的折射率大于水和玻璃的折射率（分別為1.33和1.52），因此兩端反射的光量增加，從而增強了普克爾斯效應。這很重要，因為較大的增強信號將意味著甚至可以使用低靈敏度的設備進行測量。而且，由于實驗裝置并不復雜，僅由浸入含電解質的水中透明電極組成，因此該方法使用起來更加簡單。水是一種廉價的介質，從而總體上降低了成本。 Tokunaga教授詳細闡述了這些發現，“通過我們的技術，我們觀察到光調制的最大強度變化與所施加的AC電壓比例為50％。”

　　受這些觀察結果的激勵，德永教授及其團隊希望使用數學計算來驗證這些結果。他們驚訝地發現理論計算與實驗結果相符。而且，他們觀察到理論上可以實現100％的光強度調制，這令人興奮，因為這證實了他們的發現。德永教授說：“結果令人驚訝，但是當我們的理論分析表明，可以用現有的光學知識完美地解釋它們時，結果就更加令人驚訝。”科學家們還說：“這項研究的結果不僅適用于使用水的獨特光調制元件和界面傳感器，而且發現的增強原理為使用普遍存在的任何界面提供了可能性。”

　　這種調制光的新方法可以更好地替代現有方法，特別是由于具有低成本和易于檢測的優點。不僅如此，德永教授及其團隊還相信，通過發現光調制的新機制，他們的研究將為該領域的更高級研究打開大門。德永教授總結說：“我們獨特的光調制技術是史無前例的，具有許多可能的應用，因為它顯示了一種從通用接口中提取大型Pockels信號的通用方法。此外，我們希望我們的研究能夠催生出一種光學研究的新領域，從而徹底改變這一領域。”