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表現出不同特性。這一特性已經通過各種技術進行了探索，但光與材料相互作用的方式需要進行處理，以獲得所需的效果。這是使用稱為光調製器的特殊設備來完成，其具有修改光的屬性的能力。當電場作用於光通過的介質時，就可以看到一種被稱為泡克耳斯效應的性質。通常情況下，光線在擊中任何介質時都會彎曲，但在泡克耳斯效應下，介質的折射率（光彎曲程度的度量）與應用的電場成比例地變化。
這種效應在光學工程、光通信、顯示器和電傳感器中都有應用。但是，這泡克耳斯效應究竟是如何在不同材料中發生的還不清楚，因此很難充分發掘它的潛力。在《OSA Continuum》期刊上發表的一項突破性研究中，由東京理科大學德永英治(Eiji Tokunaga)教授領導的一組科學家，揭示了一種新型光調製器中泡克耳斯效應的機制。直到現在，這種效應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教授和研究團隊首次在水的頂層（也稱為介面層）與電極接觸時觀察到這種效應，在大量的水中沒有觀察到這種效果。雖然泡克耳斯係數（泡克耳斯效應的量度）大一個數量級，但需要高靈敏度的檢測器，因為該效應僅在薄的介面層中產生。此外，甚至其機制也不清楚，使過程進一步複雜化，德永英治教授和研究團隊想找到一個解決方案，經過多次試驗，終於成功了。在談到研究動機時，德永英治教授表示：用水作為介質很難測量電光信號，因為它只發生在薄層中。
因此想找到一種方法，從介質中提取大信號，不需要高靈敏度測量，而且更容易使用。為了做到這一點，科學家們在水中的玻璃表面上創建了一個帶有透明電極的裝置，並對其施加了電場。介面層（也稱為雙電層，或EDL）只有幾個納米厚，並且呈現出與水其餘部分不同的電化學性能。它也是水中唯一可以在電場下觀察到泡克耳斯效應的部分。科學家們使用全反射的概念在水和電極之間的介面上創造了一個大角度。
觀察到，當光穿過電極並進入EDL時，兩層折射率的變化可以改變反射信號。由於透明電極中的折射率大於水和玻璃的折射率（分別為1.33和1.52），因此兩端反射的光量增加，從而導致更加增強的泡克耳斯效應。這一點很重要，因為一個大的，更強的信號意味著即使是低靈敏度的設備也可以用來測量它。此外，由於實驗裝置並不複雜，僅由浸泡在含有電解質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，水是一種廉價的介質，直接導致整個過程成本低。德永英治教授在詳細闡述這些發現時說：
通過該技術，觀察到光調製的最大強度變化為50%，與施加的交流電壓成正比。受到這些觀察的鼓舞，研究團隊希望使用數學計算來驗證這些結果，驚訝地發現理論計算與實驗結果相吻合。此外，觀察到，理論上可以實現100%的光強度調製，這是令人興奮的，因為它證實了發現。德永英治教授表示：結果令人驚訝，但更令人驚訝的是，理論分析表明，現有的光學知識可以完美地解釋這些結果。這項研究結果不僅適用於獨特的光調製元件和使用水的介面傳感器；
而且發現的增強原理，為使用任何普遍存在的介面打開了可能性。這種調製光的新方法是現有方法更好的替代品，特別是由於低成本和更容易檢測等優點。通過揭示新的光調製機制，研究將為該領域更先進的研究打開大門。獨特的光調製技術是前所未有的，具有許多可能的應用，因為它展示了從普遍存在的接口提取大型泡克耳斯效應信號的一般方法。此外，研究有望產生光學研究的新領域，從而使該領域發生革命性的變化。
博科園｜研究/來自：東京理科大學
參考期刊《OSA Continuum》
DOI: 10.1364/OSAC.2.003358
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