革命性的新型水基光学器件

使用界面Pockels效应提取光调制。

光线本质上是多用途的。换句话说，当穿过不同类型的材料时，它显示出不同的特性。已经在各种技术中探索了此特性，但是需要控制光与材料交互的方式以获得所需的效果。这是通过使用称为光调制器的特殊设备完成的，该设备具有修改光属性的能力。

当电场施加到光传播的介质上时，就会看到一种这样的特性，称为普克尔斯效应。通常，光在碰到任何介质时都会“弯曲”，但是在普克尔效应下，介质的折射率（光弯曲程度的度量）与施加的电场成比例地变化。这种效应在光学工程中有多种应用，例如在光学通信，显示器和电传感器中。但是，还不清楚这种效应在不同材料中如何发生，因此很难充分挖掘其潜力。

在OSA Continuum上发表的一项突破性研究中，一组由东京科学大学的德永英治教授领导的科学家团队，包括山山大辅，濑户敬介，山下恭平，Yukita Shunpei Yukita（以及全部东京科学大学）和小林隆义（电子通信大学和国立交通大学）揭示了新型光调制器中的普克尔斯效应机理。

直到最近，仅在一种特殊类型的晶体中观察到了这种效果，这种晶体价格昂贵，因此难以使用。十二年前，德永教授及其团队首次在与水接触的表层水（也称为界面层）中观察到了这种效应，而在大部分水中却看不到这种现象。电极，为试图制造简单光学设备的科学家展示了一线希望。

尽管Pockels系数（衡量Pockels效应）大了一个数量级，但事实证明，由于这种效应仅在薄的界面层中产生，因此需要一个高灵敏度的检测器。而且，即使是其机制也不清楚，这使整个过程变得更加复杂。德永教授和他的团队想找到一个解决方案，在经历了多次试验和错误之后，他们终于成功了。在谈到他的研究动机时，德永教授说：“以水为介质，很难测量电光信号，因为它仅出现在很薄的一层中。因此，我们希望找到一种从介质中提取大信号的方法，这种方法不需要进行高灵敏度的测量，而且使用起来也更加容易。”

为此，科学家创建了一个在水中的玻璃表面上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）只有几纳米厚，并且显示出与其余水不同的电化学特性。它也是水的唯一部分，在电场作用下可以观察到普克尔效应。

科学家使用全反射的概念在水和电极之间的界面处创建了一个大角度。他们观察到，当光穿过电极并进入EDL时，两层折射率的变化都会改变反射信号。由于透明电极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，从而增强了普克尔斯效应。这很重要，因为较大的，增强的信号将意味着甚至可以使用低灵敏度的设备对其进行测量。此外，由于实验装置并不复杂，仅由浸入含电解质的水中的透明电极组成，因此该方法使用起来非常简单。更不用说，水是一种廉价的介质，从而总体上降低了成本。在阐述这些发现时，德永教授说：“通过我们的技术，我们观察到光调制的最大强度变化与所施加的交流电压成正比，为50％。”

受这些观察结果的鼓励，德永教授及其团队希望使用数学计算来验证这些结果。他们惊讶地发现理论计算与实验结果相符。而且，他们观察到理论上可以实现100％的光强度调制，这令人兴奋，因为这证实了他们的发现。德永教授说：“结果令人惊讶，但是当我们的理论分析表明，可以用现有的光学知识完美地解释它们时，结果就更加令人惊讶。”科学家们还说：“这项研究的结果不仅适用于使用水的独特光调制元件和界面传感器，而且发现的增强原理为使用普遍存在的任何界面提供了可能性。”

这种新的光调制方法可以更好地替代现有方法，特别是由于具有低成本和易于检测的优点。不仅如此，德永教授及其团队还相信，通过发现光调制的新机制，他们的研究将为该领域的更高级研究打开大门。Tokunaga教授总结说：“我们独特的光调制技术是史无前例的，具有许多可能的应用，因为它显示了一种从通用接口中提取大型Pockels信号的通用方法。此外，我们希望我们的研究将催生光学研究的新领域，从而彻底改变该领域。”

参考：Hayama Daisuke Hayama，Keisuke Seto，Kyohei Yamashita，Shunpei Yukita，Takayoshi Kobayashi和Eiji Tokunaga的“电极-水界面在电极-水界面中的巨普克尔斯效应”，OSA Continuum 2，3358-3373（2019）。
10.1364 / OSAC.2.003358