Schéma de l’imagerie sous excitation en fréquence réelle et en fréquence complexe synthétisée dans un superlentille. Le même objet, lorsqu’il est imagé à travers un superobjectif sous différents éclairages à fréquence réelle, donne des images avec différents degrés de flou, et aucune des images à fréquence réelle ne peut discerner la véritable apparence de l’objet. En combinant les amplitudes de champ et les phases de plusieurs images monofréquence, une image claire peut enfin être obtenue. Crédit : HKU
Une équipe de recherche collaborative dirigée par le professeur Shuang Zhang, directeur par intérim de la physique de l’Université de Hong Kong (HKU), en collaboration avec le Centre national des nanosciences et technologies, l’Imperial College de Londres et l’Université de Californie à Berkeley, a proposé un nouveau produit synthétique. approche par ondes de fréquence complexes (CFW) pour traiter la perte optique dans la démonstration de superimagerie. Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans la prestigieuse revue académique Science.
L’imagerie joue un rôle important dans de nombreux domaines, notamment la biologie, la médecine et la science des matériaux. Les microscopes optiques utilisent la lumière pour obtenir l’imagerie d’objets minuscules. Cependant, les microscopes conventionnels ne peuvent résoudre au mieux que la taille des caractéristiques dans l’ordre de la longueur d’onde optique, connue sous le nom de limite de diffraction.
Pour dépasser la limite de diffraction, Sir John Pendry de collège impérial de Londres a introduit le concept de superlentilles, qui peuvent être construites à partir de supports à indice négatif ou de métaux nobles comme l’argent. Par la suite, le professeur Xiang Zhang, actuel président et vice-chancelier de HKU, ainsi que son équipe d’alors au sein du Université de Californie, Berkeleya démontré expérimentalement la superimagerie en utilisant à la fois un film mince d’argent et un empilement multicouche argent/diélectrique.
Ces travaux ont largement favorisé le développement et l’application de la technologie des superlentille. Malheureusement, tous les super-objectifs souffrent d’une perte optique inévitable, qui convertit l’énergie optique en chaleur. Cela affecte considérablement les performances des dispositifs optiques, tels que les objectifs de superimagerie, qui reposent sur la transmission fidèle des informations véhiculées par les ondes lumineuses.
Modèles d’imagerie dans plusieurs fréquences réelles et fréquence complexe de la lettre « H ». Crédit : HKU
La perte optique a été le principal facteur limitant le développement de la nanophotonique au cours des trois dernières décennies. De nombreuses applications, notamment les circuits de détection, de superimagerie et nanophotoniques, bénéficieraient grandement si ce problème pouvait être résolu.
Le professeur Shuang Zhang, auteur correspondant de l’article et également chef par intérim du département de physique de HKU, a expliqué les axes de recherche : « Pour résoudre le problème de perte optique dans certaines applications importantes, nous avons proposé une solution pratique — en utilisant une nouvelle excitation d’onde complexe synthétique. pour obtenir un gain virtuel, puis compenser la perte intrinsèque du système optique. À titre de vérification, nous avons appliqué cette approche au mécanisme d’imagerie du superlentille et avons théoriquement amélioré de manière significative la résolution de l’imagerie.
«Nous avons ensuite démontré notre théorie en menant des expériences utilisant des hyperlentilles constituées de matériaux hyperboliques. métamatériaux dans la gamme des fréquences micro-ondes et les métamatériaux polaritons dans la gamme des fréquences optiques. Comme prévu, nous avons obtenu d’excellents résultats d’imagerie conformes à nos prédictions théoriques », a ajouté le Dr Fuxin Guan, premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral à HKU.
Approche multifréquence pour surmonter la perte optique
Dans cette étude, les chercheurs ont introduit une nouvelle approche à fréquences multiples pour surmonter les impacts négatifs de la perte sur la superimagerie. Des ondes de fréquence complexes peuvent être utilisées pour fournir un gain virtuel afin de compenser la perte dans un système optique.
Que signifie une fréquence complexe ? La fréquence d’une onde fait référence à la vitesse à laquelle elle 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 une onde s’amplifie ou se désintègre dans le temps. Par conséquent, pour une onde de fréquence complexe, l’oscillation et l’amplification de l’onde se produisent simultanément. Pour une fréquence complexe avec une partie imaginaire négative (positive), l’onde se désintègre (s’amplifie) dans le temps.
Profil de champ électrique des ondes en fréquence réelle (a), fréquence complexe (b) et fréquence complexe tronquée (c). Onde de fréquence complexe tronquée synthétisée par la combinaison linéaire de plusieurs fréquences réelles (d). Crédit : HKU
Bien entendu, une onde complexe idéale n’est pas physique car elle divergerait lorsque le temps tendrait vers l’infini positif ou négatif, selon le signe de sa partie imaginaire. Par conséquent, toute implémentation réaliste d’ondes de fréquence complexes doit être tronquée dans le temps pour éviter la divergence. La mesure optique directement basée sur des ondes de fréquence complexes doit être effectuée dans le domaine temporel et impliquerait des mesures temporelles compliquées, elle n’a donc pas été réalisée expérimentalement jusqu’à présent.
L’équipe a utilisé l’outil mathématique Transformation de Fourier pour décomposer un CFW tronqué en de nombreux composants de différentes fréquences réelles, facilitant ainsi grandement la mise en œuvre de CFW pour diverses applications, telles que la superimagerie. En effectuant des mesures optiques à plusieurs fréquences réelles à intervalle fixe, il est possible de construire la réponse optique du système à une fréquence complexe en combinant mathématiquement celle des fréquences réelles.
Super-imagerie utilisant un superobjectif SiC fonctionnant à fréquence optique. Les mesures de fréquence complexes offrent une résolution spatiale bien meilleure que celle d’une fréquence réelle. L’image SEM montre les performances de l’objet. Crédit : HKU
Comme preuve de concept, l’équipe a commencé par la superimagerie aux fréquences micro-ondes à l’aide d’un métamatériau hyperbolique. Le métamatériau hyperbolique peut transporter des ondes avec de très grands vecteurs d’onde (ou de manière équivalente de très petites longueurs d’onde), capables de transmettre des informations de très petites tailles de caractéristiques. Cependant, plus le vecteur d’onde est grand, plus les ondes sont sensibles à la perte optique. Par conséquent, en présence de perte, les informations sur ces petites tailles de caractéristiques sont perdues lors de la propagation à l’intérieur du métamatériau hyperbolique. Les chercheurs ont montré qu’en combinant de manière appropriée les images floues mesurées à différentes fréquences réelles, une image claire à une fréquence complexe était formée avec une résolution inférieure à la longueur d’onde.
L’équipe a ensuite étendu le principe aux fréquences optiques, en utilisant une superlentille optique constituée d’un cristal phononique appelé carbure de silicium, qui fonctionne à la longueur d’onde infrarouge lointain d’environ 10 micromètres. Dans un cristal phononique, la vibration du réseau peut se coupler à la lumière pour créer un effet de superimagerie. Cependant, la perte reste un facteur limitant dans la résolution spatiale. Bien que les résolutions spatiales de l’imagerie à toutes les fréquences réelles soient limitées par la perte, comme le montrent les images floues des trous à l’échelle nanométrique, une imagerie à ultra haute résolution peut être obtenue avec des CFW synthétisés constitués de plusieurs composantes de fréquence.
«Ces travaux ont fourni une solution pour surmonter la perte optique dans les systèmes optiques, un problème de longue date en nanophotonique. La méthode de synthèse à fréquence complexe peut être facilement étendue à d’autres applications, notamment la détection moléculaire et les circuits intégrés nanophotoniques », a déclaré le professeur Xiang ZHANG, autre auteur correspondant de l’article, président et vice-chancelier de HKU, et également président de physique et Ingénierie. Il a salué cette méthode remarquable et universellement applicable: « Cela peut être exploité pour lutter contre la perte dans d’autres systèmes d’ondes, notamment les ondes sonores, les ondes élastiques et les ondes quantiques, élevant ainsi la qualité de l’imagerie à un nouveau niveau. »
Ce travail a été soutenu par la New Cornerstone Science Foundation, le Research Grants Council de Hong Kong.
