能修改光的属性！新型水基光学仪器，或将彻底改变光学研究领域

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光在自然界是多才多艺的，换句话说，光在通过不同类型的材料时表现出不同特性。这一特性已经通过各种技术进行了探索，但光与材料相互作用的方式需要进行处理，以获得所需的效果。这是使用称为光调制器的特殊设备来完成，其具有修改光的属性的能力。当电场作用于光通过的介质时，就可以看到一种被称为泡克耳斯效应的性质。通常情况下，光线在击中任何介质时都会弯曲，但在泡克耳斯效应下，介质的折射率（光弯曲程度的度量）与应用的电场成比例地变化。

这种效应在光学工程、光通信、显示器和电传感器中都有应用。但是，这泡克耳斯效应究竟是如何在不同材料中发生的还不清楚，因此很难充分发掘它的潜力。在《OSA Continuum》期刊上发表的一项突破性研究中，由东京理科大学德永英治(Eiji Tokunaga)教授领导的一组科学家，揭示了一种新型光调制器中泡克耳斯效应的机制。直到现在，这种效应只在一种特殊类型的晶体中被观察到，这种晶体很昂贵，因此很难使用。

12年前，Tokunaga教授和研究团队首次在水的顶层（也称为界面层）与电极接触时观察到这种效应，在大量的水中没有观察到这种效果。虽然泡克耳斯系数（泡克耳斯效应的量度）大一个数量级，但需要高灵敏度的检测器，因为该效应仅在薄的界面层中产生。此外，甚至其机制也不清楚，使过程进一步复杂化，德永英治教授和研究团队想找到一个解决方案，经过多次试验，终于成功了。在谈到研究动机时，德永英治教授表示：用水作为介质很难测量电光信号，因为它只发生在薄层中。

因此想找到一种方法，从介质中提取大信号，不需要高灵敏度测量，而且更容易使用。为了做到这一点，科学家们在水中的玻璃表面上创建了一个带有透明电极的装置，并对其施加了电场。界面层（也称为双电层，或EDL）只有几个纳米厚，并且呈现出与水其余部分不同的电化学性能。它也是水中唯一可以在电场下观察到泡克耳斯效应的部分。科学家们使用全反射的概念在水和电极之间的界面上创造了一个大角度。

观察到，当光穿过电极并进入EDL时，两层折射率的变化可以改变反射信号。由于透明电极中的折射率大于水和玻璃的折射率（分别为1.33和1.52），因此两端反射的光量增加，从而导致更加增强的泡克耳斯效应。这一点很重要，因为一个大的，更强的信号意味着即使是低灵敏度的设备也可以用来测量它。此外，由于实验装置并不复杂，仅由浸泡在含有电解质水中的透明电极组成，因此这种方法使用起来简单得多。更不用说，水是一种廉价的介质，直接导致整个过程成本低。德永英治教授在详细阐述这些发现时说：

通过该技术，观察到光调制的最大强度变化为50%，与施加的交流电压成正比。受到这些观察的鼓舞，研究团队希望使用数学计算来验证这些结果，惊讶地发现理论计算与实验结果相吻合。此外，观察到，理论上可以实现100%的光强度调制，这是令人兴奋的，因为它证实了发现。德永英治教授表示：结果令人惊讶，但更令人惊讶的是，理论分析表明，现有的光学知识可以完美地解释这些结果。这项研究结果不仅适用于独特的光调制元件和使用水的界面传感器；

而且发现的增强原理，为使用任何普遍存在的界面打开了可能性。这种调制光的新方法是现有方法更好的替代品，特别是由于低成本和更容易检测等优点。通过揭示新的光调制机制，研究将为该领域更先进的研究打开大门。独特的光调制技术是前所未有的，具有许多可能的应用，因为它展示了从普遍存在的接口提取大型泡克耳斯效应信号的一般方法。此外，研究有望产生光学研究的新领域，从而使该领域发生革命性的变化。
博科园｜研究/来自：东京理科大学
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