光在自然界是多才多藝的，換句話說，光在通過不同類型的材料時(shí)表現(xiàn)出不同特性。這一特性已經(jīng)通過各種技術(shù)進(jìn)行了探索，但光與材料相互作用的方式需要進(jìn)行處理，以獲得所需的效果。這是使用稱為光調(diào)制器的特殊設(shè)備來完成，其具有修改光的屬性的能力。當(dāng)電場作用于光通過的介質(zhì)時(shí)，就可以看到一種被稱為泡克耳斯效應(yīng)的性質(zhì)。通常情況下，光線在擊中任何介質(zhì)時(shí)都會(huì)彎曲，但在泡克耳斯效應(yīng)下，介質(zhì)的折射率（光彎曲程度的度量）與應(yīng)用的電場成比例的變化。
這種效應(yīng)在光學(xué)工程、光通信、顯示器和電傳感器中都有應(yīng)用。但是，這泡克耳斯效應(yīng)究竟是如何在不同材料中發(fā)生的還不清楚，因此很難充分發(fā)掘它的潛力。在《OSA Continuum》期刊上發(fā)表的一項(xiàng)突破性研究中，由東京理科大學(xué)德永英治(Eiji Tokunaga)教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家，揭示了一種新型光調(diào)制器中泡克耳斯效應(yīng)的機(jī)制。直到現(xiàn)在，這種效應(yīng)只在一種特殊類型的晶體中被觀察到，這種晶體很昂貴，因此很難使用。
12年前，Tokunaga教授和研究團(tuán)隊(duì)首次在水的頂層（也稱為界面層）與電極接觸時(shí)觀察到這種效應(yīng)，在大量的水中沒有觀察到這種效果。雖然泡克耳斯系數(shù)（泡克耳斯效應(yīng)的量度）大一個(gè)數(shù)量級，但需要高靈敏度的檢測器，因?yàn)樵撔?yīng)僅在薄的界面層中產(chǎn)生。此外，甚至其機(jī)制也不清楚，使過程進(jìn)一步復(fù)雜化，德永英治教授和研究團(tuán)隊(duì)想找到一個(gè)解決方案，經(jīng)過多次試驗(yàn)，終于成功了。在談到研究動(dòng)機(jī)時(shí)，德永英治教授表示：用水作為介質(zhì)很難測量電光信號(hào)，因?yàn)樗话l(fā)生在薄層中。
因此想找到一種方法，從介質(zhì)中提取大信號(hào)，不需要高靈敏度測量，而且更容易使用。為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家們在水中的玻璃表面上創(chuàng)建了一個(gè)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）只有幾個(gè)納米厚，并且呈現(xiàn)出與水其余部分不同的電化學(xué)性能。它也是水中唯一可以在電場下觀察到泡克耳斯效應(yīng)的部分?？茖W(xué)家們使用全反射的概念在水和電極之間的界面上創(chuàng)造了一個(gè)大角度。
觀察到，當(dāng)光穿過電極并進(jìn)入EDL時(shí)，兩層折射率的變化可以改變反射信號(hào)。由于透明電極中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，從而導(dǎo)致更加增強(qiáng)的泡克耳斯效應(yīng)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橐粋€(gè)大的，更強(qiáng)的信號(hào)意味著即使是低靈敏度的設(shè)備也可以用來測量它。此外，由于實(shí)驗(yàn)裝置并不復(fù)雜，僅由浸泡在含有電解質(zhì)水中的透明電極組成，因此這種方法使用起來簡單得多。更不用說，水是一種廉價(jià)的介質(zhì)，直接導(dǎo)致整個(gè)過程成本低。德永英治教授在詳細(xì)闡述這些發(fā)現(xiàn)時(shí)說：
通過該技術(shù)，觀察到光調(diào)制的最大強(qiáng)度變化為50%，與施加的交流電壓成正比。受到這些觀察的鼓舞，研究團(tuán)隊(duì)希望使用數(shù)學(xué)計(jì)算來驗(yàn)證這些結(jié)果，驚訝地發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。此外，觀察到，理論上可以實(shí)現(xiàn)100%的光強(qiáng)度調(diào)制，這是令人興奮的，因?yàn)樗C實(shí)了發(fā)現(xiàn)。德永英治教授表示：結(jié)果令人驚訝，但更令人驚訝的是，理論分析表明，現(xiàn)有的光學(xué)知識(shí)可以完美地解釋這些結(jié)果。這項(xiàng)研究結(jié)果不僅適用于獨(dú)特的光調(diào)制元件和使用水的界面?zhèn)鞲衅鳎?/p>
而且發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)原理，為使用任何普遍存在的界面打開了可能性。這種調(diào)制光的新方法是現(xiàn)有方法更好的替代品，特別是由于低成本和更容易檢測等優(yōu)點(diǎn)。通過揭示新的光調(diào)制機(jī)制，研究將為該領(lǐng)域更先進(jìn)的研究打開大門。獨(dú)特的光調(diào)制技術(shù)是前所未有的，具有許多可能的應(yīng)用，因?yàn)樗故玖藦钠毡榇嬖诘慕涌谔崛〈笮团菘硕剐?yīng)信號(hào)的一般方法。此外，研究有望產(chǎn)生光學(xué)研究的新領(lǐng)域，從而使該領(lǐng)域發(fā)生革命性的變化。
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