超透鏡揭示傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)無法看到的亞波長(zhǎng)級(jí)別的特征

一個(gè)由中國(guó)和英國(guó)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)制造了迄今為止分辨率最高的光學(xué)成像透鏡。

19世紀(jì)以來，醫(yī)生們一直認(rèn)為，光學(xué)顯微鏡存在一個(gè)分辨率極限，超出這個(gè)極限就無法清楚地看到物體。當(dāng)物體小于200納米，比如一些病毒，它們?cè)诠鈱W(xué)顯微鏡下就難以辨認(rèn)了。

但在2000年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的科學(xué)家約翰·彭德里提出了一個(gè)可以解決這個(gè)問題的“超透鏡”的概念。超透鏡是由混合了金屬和其他物質(zhì)的等離子體材料制成，可以生成亞波長(zhǎng)級(jí)別的圖像。

武漢大學(xué)教授鄭國(guó)興說：“光學(xué)成像技術(shù)的最終目標(biāo)在于分辨率。超透鏡突破了分辨率極限，令物理學(xué)家感到吃驚。然而，由金屬和電解質(zhì)制成的混合表面可能導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)損耗，這個(gè)問題已經(jīng)存在了20年?！编崨]有參與這項(xiàng)研究。

從事這項(xiàng)最新研究的是一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)，由香港大學(xué)的張霜教授和香港大學(xué)現(xiàn)任校長(zhǎng)張翔教授領(lǐng)導(dǎo)，彭德里和中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心的研究人員參與其中。在這項(xiàng)研究中，研究人員找到了一種將分辨率極限提高一個(gè)量級(jí)、至數(shù)十納米的方法。

該團(tuán)隊(duì)使用了多個(gè)頻率的組合來提高分辨率，并抵消超透鏡的光學(xué)損耗。他們的研究成果18日發(fā)表在同行評(píng)議的《科學(xué)》雜志上。 他們使用數(shù)學(xué)公式將復(fù)雜的光波轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單波的組合，然后利用這些簡(jiǎn)單波提供的信息來彌補(bǔ)圖像質(zhì)量的損失。 換句話說，這就像使用光譜的不同顏色來創(chuàng)造一種新的顏色，這種顏色可以顯示比原初顏色更多的細(xì)節(jié)。利用這種方法，實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像是可能的。

張霜對(duì)記者說：“我們首先從理論上證明了這種方法，然后借助微波頻段雙曲超構(gòu)材料的超透鏡實(shí)驗(yàn)，對(duì)這一方案進(jìn)行了驗(yàn)證。成像效果與我們的理論預(yù)期高度一致?！?/p>

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)成功地設(shè)計(jì)了一種超透鏡，并在實(shí)驗(yàn)室中將其成像分辨率提高了約一個(gè)量級(jí)。 張翔對(duì)記者說：“這是一種美麗而通用的方法，可用于多個(gè)光頻，并可拓展到其他波系統(tǒng)——如聲波、彈性波和量子波——以解決損耗問題?！?《科學(xué)》雜志的編輯伊恩·奧斯本在該雜志上寫道，這項(xiàng)技術(shù)“展示了克服超透鏡系統(tǒng)內(nèi)在損耗的實(shí)用方法，有可能讓成像和傳感能力獲得重大提升”。 超透鏡可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、光纖通信、納米技術(shù)等需要高分辨率成像的領(lǐng)域。它們可以揭示傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)無法看到的亞波長(zhǎng)級(jí)別的特征。

審核編輯：彭菁